Trình bày lý thuyết về biến đổi điện cơ điện dung và điện cảm – Điện Dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐHBK Hà Nội CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN Họ và tên : Trịnh Cường Thanh Lớp : SPKTĐ – 2009 SHHV : CB090813 1. Tên đề tài: Trình bày lý thuyết về biến đổi điện cơ điện dung và điện cảm – điện dung. 2. Nội dung thuyết minh (gợi ý): a. Khái niệm về biến đổi điện cơ điện dung. b. Khái niệm về biến đổi điện cơ điện cảm – điện dung. Ứng dụng. 3. Bài tập : Viết hệ phương trình tương ứng với sơ đồ khối hình 7.24 4. Ngày nộp quyển: 2 tuần sau khi nhận đầu đề 5. Tài liệu: Dựa vào “Máy điện tổng quát” và các tài liệu thống kê ở trang 227. Hai tài liệu giới thiệu kèm theo. John Chiasson. Modeling and High performance Control of Electric Machines IEEE Series on Power Engineering Mohamed E.El-Hawary, Series Editor Paul C.Krause-Oleg Wasynczuk-Scott D.Sudhoff. Analysis of Electric Machinery and Drive Systems IEEE Series on Power Engineering Mohamed E.El-Hawary, Series Editor Cán bộ hướng dẫn PGS. Phạm Văn Bình PHẦN 1 : MỞ ĐẦU Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Về cấu tạo máy điện gồm mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây quấn), dùng để biến đổi năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại biến đổi cơ năng thành điện năng (động cơ điện), hoặc dùng để biến đổi thông số điện như biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha... Máy điện là máy thường gặp nhiều trong các nghành kinh tế như công nghiệp, giao thông vận tải... và trong các dụng cụ sinh hoạt trong gia đình. Máy điện được phân loại theo nhiều cách khác nhau, ví dụ phân loại theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo dòng điện (xoay chiều, một chiều), theo nguyên lý làm việc ... Trong phạm vi bài tiểu luận này ta phân loại máy điện dựa vào nguyên lý biến đổi năng lượng như sau : Máy điện tĩnh : thường gặp là máy biến áp, làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có chuyển động tương đối với nhau. Điện năng qua máy biến áp chỉ biến đổi độ lớn của dòng điện và điện áp mà không biến đổi dạng năng lượng . Máy điện có phần chuyển động (máy điện quay) : Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ, do từ trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyển động tương đối với nhau gây ra. Loại máy điện này thường dùng để biến đổi dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại biến đổi cơ năng thành điện năng (động cơ điện). Máy điện kiểu cảm ứng (điện cản) Máy điện kiểu điện dung Máy điện kiểu hỗn hợp (điện cảm – điện dung) PHẦN 2 : NỘI DUNG I. Nội dung thuyết minh 1. Biến đổi điện cơ điện dung Máy điện là một loại thiết bị biến đổi điện – cơ, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, nhưng hầu hết các máy điện dựa trên nguyên lý biến đổi điện cơ kiểu điện cảm (máy điện cảm ứng), tức là đều biến đỏi năng lượng đều thông qua năng lượng từ trường Tuy nhiên với máy điện biến đổi điện cơ điện dung, lại là loại thiết bị điện Có quá trình biến đổi năng lượng điện – cơ thông qua điện trường . Năng lượng trong thiết bị được tập trung trong điện trường và biến đổi điện cỏ thực hiện nhờ sụ biến thiên trị số điện dung, nói cách khác là biến đổi điện trường Nhưng lý thuyết về biến đổi điện cơ kiểu điện dung còn ít được đề cập, vì vậy để nghiên cứu được thiết bị biến đổi điện cơ kiểu điện dung, ta sẽ xuất phát từ lý thuyết máy điện cảm ứng để dẫn ra cơ sở lý thuyết của máy điện điện dung. Như ta đã biết trong lý thuyết kỹ thuật điện đã chỉ ra sự tương ứng giữa các thông số đặc trưng viết trong phương trình cân bằng trong biến đổi điện trường và các phương trình cân bằng trong biến đổi từ trường , đó là các thông số đặc trưng cơ bản như: Điện Trường Từ Trường Điện tích QD Từ tích QT Điện thông FD Từ thông FT Điện áp U Dòng điện i Sức điện đông e Sức từ động F Vì vậy ta có Sức điện động ở máy điện cảm ứng: e = Blv (1.1) Sức điện động ở máy điện điện dung: e = Dlv (1.2) Trong đó: D là cảm ứng điện trường hay còn gọi là điện dịch L là chiều dài thanh dẫn đối với điện cảm ứng hoặc bề rộng điện cực đối với máy điện dung. Ở máy điện điện dung, biến đổi năng lượng được tính thông qua sự thay đổi của điện dung, điện áp và dòng điện. Nên năng lượng điện trường được tính bằng công thức: WD = 0,5 (1.3) Trong đó E là cường độ điện trường . Vậy muốn biến đổi trị số điện dung ta có thể biến đổi diện tích bề mặt điện cực S của tụ điện, hoặc biến đổi khoảng cách x giữa các điện cực, hoặc biến đổi hằng số điện môi e giữa các điện cực. Từ đó ta có C = (1.4) Bỏ qua tổn hao ta có công thức tính lực F xuất hiện khi thay đổi trị số điện dung bằng cách thay đổi khoảng cách x , ta sẽ có F = d (1.5) Trong đó: Wd là năng lượng cấp từ nguồn với dWd = UdQ = dC (1.6) Trong đó: Q là điện tích của tụ điện với dQ = CdU (1.7) Khi ta đóng - ngắt tụ điện khỏi nguồn có thể xảy ra hiện tượng cấp công suất từ lưới cho tụ điện (tích lũy dạng điện trường) hoặc ngược lại đưa công suất từ tụ điện trả về nguồn. Sau đây ta xét mô hình máy điện (Hình 1), các bản cực của tụ điện đặt lệch nhau trong không gian, các điện áp đặt vào tụ điện lệch nhau về thời gian, tương tự như các máy điện cảm ứng, ta sẽ nhận được điện trường quay. Từ hệ thống 3 pha, ta cũng có thể chế tạo được máy điện điện dung nhiều pha hay máy điện dung hai pha. A C X Hình 1: Điện trường quay 3 pha B Cũng như các loại máy điện cảm ứng, ta có thể chia máy điện điện dung thành các loại: máy điện dung đồng bộ, máy điện dung không đồng bộ, máy điện dung có vành góp và biến áp điện dung. Máy điện dung đồng bộ có tốc độ ro to w bằng tốc độ quay của điện trường w1, điện áp đặt vào điện cực của ro to máy điện điện dung đồng bộ là điện áp một chiều (hình 1). Máy điện điện dung không đồng bộ (w # w1), ngắn mạch ro to máy đồng bộ bằng cách chèn vào vật liệu điện môi có dạng hình trụ. Biến áp điện dung làm việc khi có biến đổi điện áp trên điện dung. Khi điện tích Q không đổi nếu ta thay đổi trị số điện dung C, thì điện áp U sẽ thay đổi, C = . Nếu điện áp đặt trên các tụ điện A, B, C được nhận qua vành góp, ta có máy điện điện dung có vành góp. Cũng tương tự như máy điện cảm ứng chúng ta cũng có thể đưa ra dạng máy điện tổng quát, trong đó thay thế các điện cảm bằng các điện dung. Từ đó ta có phương trình viết cho máy điện dung: i + Cp 0 0 i = Cp + ωr ωrC . (1.8) i -ωrC -ωr Cp i 0 0 Cp Mđt = C() (1.9) So sánh hai công thức (1.8) và (1.9) viết cho máy điện dung và công thức viết cho máy điện cảm ta nhận thấy có sự tương ứng giữa các thông số như Điện áp – Dòng điện: u i Điện cảm – Dòng điện: Hỗ cảm – Tương hỗ điện dung: M C Điện trở tác dụng – Điện dẫn tác dụng: Điện dung tổng được tính bằng tổng dung lượng điện dung C được nối nào mạch điện và điện dung riêng Cdqa. Ưu điểm của động cơ điện dung so với động cơ cảm ứng là không cần hệ thống mạch từ lớn. Để có điện trường chỉ cần các điện cực gon nhẹ. Điện áp sử dụng của động cơ điện dung khá lớn, đây là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của động cơ điện dung. Về lý thuyết cũng như trong thực tiễn, máy điện chưa được sử dụng nhiều, nhưng có tương lai không nhỏ, vì vậy nói đến các thiết bị biến đổi năng luợng điện cơ không thể không nhắc đến máy điện dung. 2. Biến đổi điện cơ điện cảm - điện dung Như ta đã biết, máy điện là môt loại thiết bị biến đổi điện - cơ. Ở thiết bị biến đổi điện năng lượng điện cơ kiểu điện dung các biến đổi năng lượng đều thông qua từ trường, còn máy điện cảm ứng (điện cảm ) các biến đổi năng lượng đều thông qua từ trường. Vậy thiết bị biến đổi điện cơ điện cảm - điện dung là loại thiết bị kết hợp hai loại thiết bị biến đổi năng lượng kiểu điện cảm và kiểu điện dung với nhau, tức là thiết bị này có quá trình biến đổi năng lượng điện – cơ thông qua điện – từ trường. Năng lượng trong thiết bị được tập trung trong điện – từ trường. Thiết bị biến đổi điện - cơ hỗn hợp đơn giản nhất có thể mô tả bằng sự ghép nối một hệ thống điện cơ có một phần chuyển động và mạch điện gồm điện cảm và điện dung . 2 3 L C Sau đây ta xét một sơ đồ thiết bị biến đổi điện cơ điện cảm điện – dung. Máy điện cảm ứng L nối kết với phần động và có chung mạch điện với máy điện điện dung C ( Hình 2) Phần máy điện cảm ứng bao gồm cuộn dây 1 có dòng kích từ một chiều , lõi thép động 2 nối với đồn bẩy 3. Khi lõi thép dịch chuyển, se làm điện cảm cuộn dây thay đổi dẫn đến xuất hiện dòng điện qua mạch vòng : cuộn dây 1 – tụ điện biến thiên 4 – phụ tải Zpt . Pcơ Hình 2 5 ε 4 μ 1 Upt Ukt Ukt Phần máy điện điện dung gồm tụ điện C, điện dung của tụ điện C có thể thay đổi nhờ dịch chuyển vị trí của lõi 5 đặt giữa hai bản cực của tụ điện . Lõi 5 có hằng số điện môi ε lớn. Điện dung C thay đổi dẫn đến xuất hiện dòng điện i= , trong đó q là điện tích dịch chuyển trong mạch điện. Khi thông số của thiết bị thoả mãn điều kiện ωo = và ωoL = sẽ có cộng hưởng điện cơ, chế độ làm việc của thiết bị là tối ưu . Để tạo từ trường và điện trường trong thiết bị biến đổi năng lượng điện cơ , không cần công suất phản kháng từ nguồn , mà công suất phản kháng ở cuộn dây trao đổi cân bằng với công suất phản kháng trong tụ điện ở trạng thái cộng hưởng . Thiêt bị biến đổi năng lượng điện cơ điện cảm – điện dung cũng có tính thuận nghịch như các thiết bị biến đổi năng lượng điện cơ khác : có khả năng làm việc ở chế độ máy phát và động cơ . Ở chế độ máy phát, công suất cơ Pcơ tác dụng làm dịch chuyển cánh tay đòn 3, tạo dòng cấp cho phụ tải công suất P = I2ptrRpt. ngược lại, khi tay phụ tải Zpt bằng nguồn điện, cánh tay đòn 3 sẽ dao động do nhận công suất điện từ. Thiêt bị biến đổi năng lượng điện cơ điện cảm – điện dung cũng có thể làm việc trên nguyên lý của các hiệu ứng sau đây: Hiêu ứng từ giảo, mạch từ bị biến dạng hoặc thay đổi kích thước khi bị từ hoá . Ngược lại khi tác dụng lực làm thay đổi kích thước hoặc làm biến dạng lại có tác dụng từ hoá Hiệu ứng áp – điện là hiện tượng làm xuất hiện điện tích trái dấu khi có áp lực lên tinh thể. Hiệu ứng áp – điện cũng có tính thuận nghịch, điện trường có tác dụng làm thay đổi kích thước vật thể Chẳng hạn khi xét 1 sơ đồ thiết bị biến đổi năng lượng điện cơ (Hình 3) gồm vật liệu có hiệu ứng từ giảo 1 ( ví dụ như niken nguyên chất ) và vật liệu có hiệu ứng áp điện 2 ( ví dụ như titanat bari ) được gá cứng lên tường (không biến dạng ) 1 2 Hình 3 Pcơ Pđt Khi tác dụng lực lên vật liệu có hiệu ứng áp điện 2, trên bề mặt vật liệu xuất hiện sđđ cảm ứng, tạo nên dòng điện qua cuộn dây, từ trường có tác dụng lên vật liệu có hiệu ứng từ giảo 1làm biến dạng vật liệu. Nếu tạo được cộng hưởng điện cơ, có thể nâng công suất động cơ điện cảm – điện dung. Nối tiếp hệ thống tinh thể, tạo được động cơ chuyển động theo không gian 3 chiều chính xác. Loại này có thể làm việc ở chế độ động cơ hoặc chế độ máy phát. Tuy có ứng dụng thực tế nhưng hạn chế hơn nhiều so với máy điện thông thường. 3. Ứng dụng Máy điện là môt loại thiết bị biến đổi điện - cơ được dùng chủ yếu để nâng cao chất lượng cuộc sống và sản xuất . Tuy nhiên trong công nghiệp và đời sống lại chủ yếu sử dụng thiết bị biến đổi điện cơ kiểu điện – cảm . Bởi vì thiết bị biến đổi điện – cơ kiểu điện dung chỉ thích hợp với công suất nhỏ và tần số cao chẳng hạn như động cơ ion, còn thiết bị biến đổi năng lượng điện cơ điện cảm – điện dung lại chủ yếu được sử dụng trong phòng thí nghiệm II. Bài tập Hệ phương trình tương ứng với sơ đồ khối hình 7.24 Hình 4. Hệ tọa độ d, q và a, b Từ hệ toạ độ d, q và a, b và khai triển hệ phương trình tổng quát mô tả động cỏ không đồng bộ theo hai trục toạ độ d, q. Sau đó chuyển laplace hệ phương trình tổng quát với irq = 0 vì irq vuông góc với trục từ thông ta sẽ có: ird = (1) 0 = - (ωs – ω)ird (2) Vì vậy để chuyển đổi giữa hai hệ toạ độ d, q a, b và xây dựng hệ phương trình tương ứng với sơ đồ khối hình 7.24, ta cần xác định thông số từ thông ro to qs qua giá trị của tốc độ góc dòng điện stato ws thông qua phép biến đổi tích phân. Từ hai phương trình (1) và (2), với thành phần ro to theo trục q (irq = 0) do trục q vuông góc với trục từ thông ro to và ws - w = wr (tốc độ góc của dòng ro to) nên ta có hệ phương trình viết cho sơ đồ khối hình 7.24 ird = ωs = qs =