Một số lượng lớn các thiết bị và dụng cụ điện được sử dụng tạinhà, chẳng hạn như máy cưa đĩa và máy xay, là máy điện một chiều.Các cuộn dây trường gắn trên stato Chổi thanPhần ứng quay v
Động cơ DC loại chổi than
Giới thiệu chung
Máy điện một chiều phổ biến trong một số ứng dụng truyền động do vận hành và điều khiển đơn giản Mômen khởi động của máy điện một chiều lớn, đó là lý do chính để sử dụng nó trong một số ứng dụng kéo Một dạng đặc biệt của máy điện một chiều cũng có thể được sử dụng với nguồn cung cấp xoay chiều hoặc một chiều Một số lượng lớn các thiết bị và dụng cụ điện được sử dụng tại nhà, chẳng hạn như máy cưa đĩa và máy xay, là máy điện một chiều.
Các cuộn dây trường gắn trên stato Chổi than
Phần ứng quay với cổ góp Phần ứng quay với cổ góp và chổi than
Hình 1.1 Các thành phần chính của máy điện một chiều
Hình 1.1 mô tả các bộ phận chính của máy điện một chiều: mạch trường,mạch phần ứng, cổ góp và chổi than Trường thường là một nam châm điện được nuôi bởi nguồn điện một chiều Trong các máy nhỏ, trường thường là nam châm vĩnh cửu Mạch phần ứng bao gồm các cuộn dây, cổ góp và chổi than Các cuộn dây và cổ góp được lắp trên trục rôto và do đó quay Chổi được gắn trên stato và đứng yên, nhưng tiếp xúc với các đoạn cổ góp quay Các cuộn dây rôto được cấu tạo bởi một số cuộn dây; mỗi cái có hai thiết bị đầu cuối kết nối với các đoạn cổ góp ở hai phía đối diện Các đoạn cổ góp được cách ly về điện với nhau Các phân đoạn được tiếp xúc và các bàn chải chạm vào hai phân đoạn đối lập Các bàn chải cho phép các đoạn cổ góp được kết nối với nguồn một chiều bên ngoài.
Sơ đồ trong hình 1.2 minh họa hoạt động của máy điện một chiều điển hình Trường stato tạo ra từ thông f từ cực N đến cực S Các chổi chạm vào các cực của cuộn dây rôto dưới cực Khi các chổi được nối với nguồn điện một chiều V bên ngoài, dòng điện I đi vào đầu cực của cuộn dây rôto dưới cực N và thoát ra khỏi đầu cuối dưới cực S Sự hiện diện của từ thông stato và rôto Dòng điện tạo ra một lực F lên cuộn dây được gọi là lực Lorentz Phương của F như hình vẽ Lực này sinh ra mômen quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ Cuộn dây mang dòng điện đi ra khỏi chổi than và bị ngắt
Hình 1.2 Hoạt động của máy điện một chiều điển hình. Điều này tạo ra một lực F liên tục và chuyển động quay liên tục Lưu ý rằng chức năng của cổ góp và chổi than là chuyển đổi các cuộn dây một cách cơ học Chuyển động quay của máy phụ thuộc vào lực từ động MMF của mạch trường, được mô tả bằng:
MMF=NITrong đó N là số vòng và I là dòng điện trường MMF mong muốn có thể đạt được bằng cách thiết kế các cuộn dây hiện trường Về cơ bản có hai loại cuộn dây trường: loại thứ nhất có số vòng lớn và dòng điện thấp, và loại thứ hai có N nhỏ và dòng điện cao Cả hai loại đều đạt được phạm vi MMF mong muốn Trên thực tế, bất kỳ hai cuộn dây nào khác nhau đều có thể tạo ra lượng MMF giống hệt nhau nếu tỷ số dòng điện của chúng tỷ lệ nghịch với tỷ số vòng dây của chúng Loại cuộn dây đầu tiên có thể xử lý điện áp cao hơn loại thứ hai. Hơn nữa, tiết diện của dây nhỏ hơn đối với loại đầu tiên vì nó mang dòng điện nhỏ hơn Động cơ điện một chiều có thể được phân loại thành bốn nhóm dựa trên sự sắp xếp của các cuộn dây trường của chúng Các động cơ trong mỗi nhóm thể hiện các đặc tính tốc độ-mô-men xoắn riêng biệt và được điều khiển bằng các phương tiện khác nhau Bốn nhóm này là: a Máy kích thích riêng biệt:
Dây quấn hiện trường bao gồm một số lượng lớn các vòng dây với tiết diện nhỏ của dây Loại cuộn dây trường này được thiết kế để chịu được điện áp định mức của động cơ Trường và mạch phần ứng được kích thích bởi các nguồn riêng biệt. b Máy Shunt:
Mạch trường giống như đối với máy điện được kích thích riêng biệt, nhưng cuộn dây trường được nối song song với mạch phần ứng Nguồn chung được sử dụng cho trường và cuộn dây phần ứng. c Máy dòng:
Dây quấn hiện trường bao gồm một số ít vòng dây với một dây dẫn có tiết diện lớn Loại này được thiết kế để mang dòng điện lớn và mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng. d Máy ghép:
Động cơ kích thích riêng biệt
Mạch tương đương của động cơ được kích thích riêng biệt được thể hiện trên Hình 1.3 Động cơ bao gồm hai mạch: trường và phần ứng Mạch trường được lắp trên stato của động cơ và được cung cấp năng lượng bởi một nguồn một chiều riêng có hiệu điện thế V Điện trở R và cuộn cảm L Điện cảmf f f trường không có tác động trong phân tích trạng thái ổn định, vì nguồn là loại một chiều Trường hiện tại Nếu sau đó có thể được biểu diễn bằng
If (1.1) Đối với động cơ nhỏ (đến vài trăm watt), mạch trường là một nam châm vĩnh cửu Trong trường hợp như vậy, thông lượng của trường là không đổi và không thể điều chỉnh được.
Mạch phần ứng, lắp trên rôto, bao gồm các đoạn dây quấn rôto và cổ góp.Một nguồn điện áp Vt bên ngoài được nối qua phần ứng để cung cấp năng lượng điện cần thiết cho tải Nguồn được nối với mạch phần ứng qua các đoạn cổ góp và chổi than Chiều của dòng điện trong cuộn dây phần ứng phụ thuộc vào vị trí của cuộn dây đối với các cực trường.
So với mạch trường, phần ứng mang dòng điện lớn hơn nhiều Do đó, tiết diện dây của dây quấn phần ứng lớn hơn nhiều so với tiết diện của dây quấn phần ứng
Mạch điện Do đó, điện trở phần ứng R nhỏ hơn nhiều so với điện trởa trường Rf Ra nằm trong khoảng vài ôm và nhỏ hơn đối với động cơ có mã lực lớn hơn Điện trở trường lớn hơn điện trở phần ứng một trăm lần Dòng điện trường thường nằm trong vùng lân cận từ 1% đến 10% dòng điện phần ứng danh định Điện áp trường thường có cùng độ lớn với điện áp phần ứng. Lực điện từ trở lại E trên hình 1.3 bằng hiệu điện thế của nguồn trừ đi độa sụt điện áp do điện trở phần ứng Sau đó, dòng điện phần ứng I có thể đượca biểu thị bằng
Phép nhân I với E thể hiện lũy thừa phát triển P Trong biểu diễn cơa a d học, công suất phát triển cũng bằng mômen xoắn phát triển nhân với tốc độ góc.
Công suất phát triển Pd bằng công suất đầu ra do tải cơ tiêu thụ cộng với tổn thất quay (ma sát và sức gió) Tương tự, mômen xoắn Td phát triển bằng mômen tải cộng với mômen quay Tốc độ góc v trong phương trình (1.3) tính bằng radian / giây.
Sử dụng định luật Faraday và biểu thức lực Lorentz, các mối quan hệ chi phối chuyển động cơ điện là
Trong đó B là mật độ từ thông, l là chiều dài của một dây dẫn mang dòng điện phần ứng, v là tốc độ của dây dẫn so với tốc độ của trường và i là cường độ dòng điện của dây dẫn F và e lần lượt là lực và hiệu điện thế cảm ứng trên vật dẫn Nếu chúng ta tổng quát các phương trình này bằng cách bao gồm tất cả các vật dẫn, sử dụng biểu thức mômen thay vì lực F, và sử dụng tốc độ góc thay vì v, chúng ta có thể viết lại E và T nhưa d
(1.5) Trong đó f là từ thông, gần như tỷ lệ với If đối với động cơ được kích thích riêng biệt Hằng số K phụ thuộc vào các thông số thiết kế như số cực, số dây dẫn và số đường dẫn song song.
Phương trình tốc độ-mô-men xoắn có thể nhận được bằng cách thay thế Ia của phương trình (5.2) trước tiên thành phương trình (1.5)
Sau đó, bằng cách thay thế E của phương trình (1.4) vào phương trìnha
Phương trình tốc độ-dòng điện có thể nhận được nếu của phương trình (1.8) được thay thế bằng Ia
(1.9)Nếu chúng ta bỏ qua các tổn hao quay thì mômen quay Td bằng mômen trục, và dòng điện phần ứng không tải bằng không Do đó, tốc độ không tải có thể được tính từ Công thức (1.8) hoặc (1.9) bằng cách đặt dòng điện phần ứng và mômen tải bằng không.
Trong thực tế, khối lượng của hệ thống truyền động và tổn hao quay là tải cơ bản của động cơ Do đó, tốc độ không tải v0 nhỏ hơn một chút so với giá trị được tính trong Công thức (1.10) Tuy nhiên, Công thức (1.10) là một giá trị gần đúng có thể chấp nhận được. Ở trạng thái dừng, mômen phát triển T bằng mômen tải T Tại một giád m trị nhất định của mômen tải T , tốc độ của động cơ giảm đi một lượng bằng sốm hạng thứ hai ở vế phải của phương trình (1.8)
Tốc độ của động cơ sau đó có thể được biểu thị bằng cách sử dụng chế độ không tải và giảm tốc độ
Hình 1.4 và 1.5 cho thấy các đặc tính tốc độ-mômen và tốc độ-dòng điện khi điện áp trường và phần ứng được giữ không đổi. Đối với động cơ lớn (lớn hơn 10 hp), điện trở phần ứng R rất nhỏ, vìa phần ứng mang dòng cao hơn, và tiết diện của dây khi đó phải lớn hơn Đối với những động cơ này, tốc độ giảm nhỏ, và động cơ có thể được coi là máy tốc độ không đổi.
Mômen xoắn phát triển tại Tst khởi động và dòng điện phần ứng khởi động Ist có thể được tính toán từ Công thức (1.8) và (1.9) bằng cách đặt tốc độ động cơ bằng không.
Hình 1.4 Đặc tính tốc độ-mô-men xoắn của động cơ điện một chiều, được kích thích riêng biệt
Hình 1.5 Đặc tính tốc độ-dòng điện của động cơ điện một chiều, được kích thích riêng biệt
Công thức (1.13) và (1.14) cung cấp thông tin quan trọng về hoạt động khởi động của động cơ một chiều, được kích thích riêng biệt Như chúng tôi đã nói trước đó, Ra thường nhỏ Do đó, mômen khởi động của động cơ rất lớn khi điện áp nguồn bằng giá trị định mức Đây là một tính năng thuận lợi và rất được mong đợi khi động cơ khởi động trong điều kiện tải nặng Tuy nhiên, một vấn đề sẽ nảy sinh do dòng điện khởi động cũng rất lớn, như đã thấy trong Công thức (1.14) Dòng điện lớn khi khởi động có thể có tác động làm hỏng cuộn dây động cơ Dòng điện quá mức chạy bên trong cuộn dây sẽ dẫn đến tổn thất lớn do điện trở của cuộn dây Những tổn thất này, khi tích lũy trong một thời gian, có thể dẫn đến nhiệt độ quá cao có thể làm chảy cách điện của cuộn dây, gây ra hiện tượng đoản mạch.
Động cơ Shunt
Một động cơ shunt có cuộn dây trường của nó được nối qua cùng một nguồn điện áp được sử dụng cho mạch phần ứng, như thể hiện trong Hình 1.8. Dòng điện của nguồn I bằng tổng của dòng điện phần ứng I và dòng điệna trường I Động cơ shunt thể hiện các đặc điểm giống với các đặc điểm của độngf cơ được kích thích riêng biệt.
Hình 1.7 Tác dụng của việc chèn một điện trở vào mạch phần ứng lúc khởi động
Hình 1.8 Mạch tương đương của một dc động cơ shunt
Động cơ dòng
Cuộn dây trường của động cơ nối tiếp được mắc nối tiếp với mạch phần ứng, như hình 1.9 Có một số khác biệt rõ ràng giữa cuộn dây trường của máy điện loạt và cuộn dây của máy đóng cắt; trong số đó có:
1 Cuộn dây trường nối tiếp bao gồm một số vòng nhỏ so với cuộn dây trường shunt.
2 Dòng điện của cuộn dây nối tiếp bằng dòng điện phần ứng, trong khi dòng điện của trường shunt bằng điện áp nguồn chia cho điện trở trường Do đó, cuộn dây trường nối tiếp mang dòng điện lớn hơn nhiều so với cuộn dây trường shunt.
3 Dòng điện trường của máy shunt không đổi bất kể điều kiện tải (dòng điện phần ứng) Mặt khác, máy loạt, có dòng điện trường thay đổi theo tải của động cơ - tải càng nặng, trường càng mạnh Ở điều kiện nhẹ hoặc không tải, trường của động cơ nối tiếp rất nhỏ Khi phân tích máy loạt, người ta nên ghi nhớ ảnh hưởng của độ bão hòa thông lượng do dòng điện trường cao Đường cong bão hòa thông lượng được thể hiện trong Hình 1.10 Cuộn trường được quấn quanh lõi kim loại của stato Dòng điện của cuộn dây trường tạo ra từ thông bên trong lõi Khi dòng điện tăng, thông lượng tăng theo tỷ lệ tuyến tính trừ khi lõi bão hòa Ở mức bão hòa, thông lượng có xu hướng tăng với tốc độ giảm dần khi dòng điện trường tăng lên. Động cơ nối tiếp có các phương trình cơ bản giống nhau được sử dụng cho động cơ shunt: Phương trình (1.4) và (1.5) Dòng điện phần ứng được tính bằng cách sử dụng phương trình vòng của mạch phần ứng.
Lưu ý rằng R có trong Công thức (1.15) Quy trình tương tự như quyf trình được sử dụng trong Công thức (1.7) có thể tính toán mô-men xoắn của máy.
Hình 1.9 Mạch tương đương của động cơ dòng DC
Hình 1.10 Đường cong bão hòa
Giả sử rằng động cơ hoạt động trong vùng tuyến tính của đường cong bão hòa; đó là,
Trong đó C là hằng số tỷ lệ Mômen xoắn phát triển trong trường hợp này có thể được biểu diễn bằng:
Thay thế các phương trình (1.19) và (1.20) thành phương trình (1.18) cho kết quả:
Công thức (1.21) cũng có thể nhận được dưới dạng hàm của mômen xoắn phát triển
Công thức (1.21) và (1.22) cho thấy tốc độ không tải hoặc tải nhẹ là cao quá mức Tốc độ cao như vậy có thể làm hỏng do lực ly tâm quá lớn tác dụng lên rôto Vì lý do này, động cơ nối tiếp phải luôn được kết nối với tải cơ học. Đặc tính tốc độ-mômen của động cơ nối tiếp được thể hiện trên hình 1.11 Lưu ý rằng tốc độ của động cơ giảm nhanh khi mômen tải tăng lên Điều này có thể được giải thích bằng Công thức (1.22), trong đó tốc độ động cơ tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của mômen tải.
Dòng điện khởi động của động cơ nối tiếp được tính bằng cách đặt Ea bằng không trong Công thức (1.15), vì v bằng không.
Hình 1.11 Đặc tính tốc độ-mô-men xoắn của động cơ dòng điện một chiều
So sánh phương trình (1.23) với phương trình (1.14) Lưu ý rằng, đối với cùng một điện áp đầu cuối, dòng điện khởi động của động cơ nối tiếp nhỏ hơn dòng điện khởi động của động cơ nối tiếp do sự hiện diện của Rf trong Công thức (1.23).
Nếu chúng ta bỏ qua độ bão hòa lõi, mô-men xoắn khởi động của động cơ nối tiếp là
(1.24) Để so sánh mômen khởi động của động cơ nối tiếp với mômen của động cơ shunt, chúng ta hãy viết lại Công thức (1.13), giả sử rằng từ thông tỷ lệ với dòng điện trường.
Trong đó R fshunt là điện trở của cuộn dây trường shunt và thường lớn hơn vài trăm lần điện trở của trường nối tiếp Rf Nếu chúng ta giả định rằng KC trong Công thức (1.24) và (1.25) có giá trị tương đương, chúng ta có thể kết luận rằng mômen bắt đầu của động cơ nối tiếp lớn hơn nhiều so với động cơ nối tiếp Ngoài ra, hãy nhớ rằng dòng khởi động của động cơ nối tiếp thấp hơn dòng
Động cơ một chiều không chổi than
Động cơ BLDC đơn cực
Các thành phần chính của động cơ BLDC đơn cực được thể hiện trongHình 5.14 Hình bên cho thấy ba cuộn dây phần ứng của stato (P1, P2 và P3) được đặt cách nhau 120 Rôto là một nam châm vĩnh cửu Lưu ý rằng cấu hình 0 của động cơ giống như cấu hình của máy điện đồng bộ ba pha Mỗi cuộn dây phần ứng được chuyển mạch điện tử thông qua một thiết bị trạng thái rắn (Q1,Q2 hoặc Q3) Giả sử rằng khi kích thích bất kỳ cuộn dây nào thì cực nam của từ trường của cuộn dây
Hình 2.1 Chuyển mạch điện tử của động cơ một chiều không chổi than Đối với vị trí rôto trong hình, nếu chúng ta chuyển Q , dòng điện i chạy1 1 qua P , làm cho rôto tự điều chỉnh theo từ trường sinh ra bởi P (cực bắc của1 1 rôto thẳng hàng với cực nam của stato ) Tuy nhiên, nếu chúng ta chuyển P sau2 khi rôto chuyển động 120 , cực nam của P đẩy cực nam của rôto về phía P 0 2 3
Sau 120 khác, P được kích hoạt, làm cho rôto bị đẩy về phía P Quá trình này 0 3 1 lặp đi lặp lại khiến động cơ quay liên tục Hãy nhớ rằng việc chuyển đổi của cuộn dây phần ứng được thực hiện dựa trên vị trí của rôto Đây là quá trình tương tự mà cổ góp và chổi than thực hiện trong động cơ điện một chiều thông thường. Để xác định các cuộn dây thích hợp để chuyển đổi, động cơ một chiều không chổi than phải "biết" vị trí của rôto Vị trí rôto có thể được chuyển tải bằng nhiều phương pháp khác nhau, một trong số đó là được thể hiện trong Hình 1.15 Bộ mã hóa vị trí trong hình bao gồm một đĩa tĩnh được gắn trên khung của động cơ Ba phototransistor (PTs) được gắn trên đĩa tĩnh này và cách xa nhau 120 PT tạo ra tín hiệu điện khi nó tiếp xúc với ánh sáng Trên đầu đĩa 0 tĩnh là một khối bán nguyệt gắn trên trục rôto; semidisk này quay cùng với rôto.Semidisk quay này đảm bảo rằng chỉ có một PT tại một thời điểm sẽ nhận được ánh sáng từ một nguồn sáng trên đỉnh đĩa quay Khi một PT tiếp xúc với ánh sáng, đĩa quay làm mờ đèn cho hai PTs còn lại Các tín hiệu từ các PTs được sử dụng để chuyển đổi cuộn dây thích hợp theo sơ đồ chuyển mạch được chỉ ra trên hình 1.16.
Động cơ BLDC lưỡng cực
Hệ thống trong hình 1.14 được gọi là truyền động đơn cực bởi vì mỗi cuộn dây khi được kích thích tạo ra một từ trường có cực nam của nó hướng vào airgap Đối với hệ thống lưỡng cực, mạch có thể thay đổi cực từ của các cuộn dây Hệ thống truyền động lưỡng cực này tạo ra mô-men xoắn (hoặc công suất) cao hơn Các thành phần chính của nó được thể hiện trong Hình 1.17. Ngoài bộ mã hóa vị trí (không được hiển thị trong hình), hệ thống được hiển thị trong Hình 1.17 có một bộ chuyển đổi một chiều / xoay chiều Bộ mã hóa cho ổ đĩa lưỡng cực yêu cầu sáu phototransistor để kích hoạt
Hình 2.2 Bộ mã hóa vị trí
Hình 2.3 Sơ đồ chuyển mạch của động cơ một chiều không chổi than
Hình 2.4 Ổ lưỡng cực Sáu bóng bán dẫn điện Ngoài ra, hình dạng của đĩa quay được thiết kế để cho phép kích hoạt ba bóng bán dẫn bất kỳ lúc nào.
Khi các trancistor được chuyển mạch theo trình tự như trong Hình 2.5, dòng điện và điện áp của cuộn dây như trong hình.
Hình 2.5 Trình tự chuyển đổi của trancistor, dòng điện qua cuộn dây và điện áp đầu cuối pha của động cơ
Hình 2.6 Từ trường trong airgap Dòng điện ba pha tạo ra ba từ trường trong airgap Do sự sắp xếp cơ học của các cuộn dây stato, từ thông của mỗi pha, theo quy tắc bàn tay phải, truyền dọc theo trục của nó như thể hiện trong Hình 2.5 Thông lượng này được gọi là thông lượng airgap.
Bây giờ, chúng ta hãy xem xét ba khoảng thời gian liên tiếp bất kỳ (ví dụ:
0 –60 0 0 , 60 0 –120 0 và 120 0 –180 0 ) Trong khoảng thời gian đầu, độ lớn của từ thông mỗi pha (tỉ lệ với cường độ dòng điện) là
Trong đó là từ thông tại đỉnh của dòng điện.max
Giả sử rằng dòng điện âm thanh tạo ra từ dòng điện chuyển sang cực đoan, và dòng điện âm thanh chuyển đổi chiều từ thông tin Các từ thông tin trong khoảng thời gian đầu tiên có thể hiển thị ở bên trái trong Hình 1.20 Lưu ý kiến của các dòng điện trong mỗi cuộn dây vì các dòng điện quyết định chiều của thông tin
Tổng thông lượng trong airgap là tổng phasor của tất cả các thông lượng có trong airgap Lấy trục x làm hệ quy chiếu, tổng từ thông trong airgap trong khoảng thời gian đầu (0 0 –60 0 ) là
Hình 1.20 Thông lượng Airgap tại ba khoảng thời gian
Các từ thông trong khoảng thời gian thứ hai được thể hiện trong hình giữa của Hình 1.20 Tổng lưu lượng airgap là tổng phasor của tất cả các thông lượng có trong airgap Do đó, trong khoảng thời gian thứ hai (60 0 –120 0 ), tổng thông lượng trong airgap là
Trong khoảng thời gian thứ ba (120 0 –180 0 ), cường độ của các từ thông là
(1.36) Các từ thông trong khoảng thời gian thứ ba này được thể hiện ở phía bên phải của Hình 1.20 Trong khoảng thời gian thứ ba, tổng thông lượng trong airgap là
Bằng cách xem xét các Công thức (1.33), (1.35) và (1.37), chúng ta có thể kết luận như sau:
- Độ lớn của từ thông tổng hợp trong airgap không đổi và bằng 3/2 max.
- Góc của tổng thông lượng airgap thay đổi như trong Hình 1.21 Từ thông trong trường hợp này đang quay theo hướng ngược chiều kim đồng hồ.
Hình 1.21 Tổng thông lượng airgap trong ba giai đoạn đầu tiên
Vì nam châm rôto thẳng hàng với tổng thông lượng gió nên rôto cũng quay theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Để quay động cơ theo chiều kim đồng hồ, hãy hoán đổi trình tự chuyển đổi của hai chân bất kỳ của bộ chuyển đổi.
Mô hình và Phân tích Động cơ BLDC
Sự khác biệt chính giữa BLDC và động cơ một chiều chổi than thông thường là ở cách chuyển mạch phần ứng Như đã giải thích, nếu phần ứng (stato) được chuyển mạch dựa trên vị trí rôto, thì máy hoạt động như một động cơ BLDC Để lập mô hình BLDC, chúng ta hãy xem xét các dạng sóng điện áp trên một cuộn dây phần ứng (điện áp pha) Như thể hiện trong Hình 5.18, giá trị đỉnh (lớn nhất) của điện áp đầu nối đối với trung tính là:
(1.38) Giá trị rms của điện áp pha này là
Trong đó V là giá trị cực đại của điện áp phamax
Vdc là điện áp nguồn
Vt là giá trị rms của điện áp pha
Nếu các bóng bán dẫn được điều chế độ rộng xung, giá trị rms của điện áp pha V làt
Trong đó m là hệ số điều chế phụ thuộc vào loại phương pháp PWMf được sử dụng.
Emf mặt sau của bất kỳ cuộn dây phần ứng nào có thể được tính bằng cách sử dụng phương trình Faraday như đã cho trong Phần 5.1.1 Giá trị rms của emf E phía sau trong đại lượng pha làa
(1.41) Trong đó v là tốc độ cơ học của rôto tính bằng rad / s
Mô-men xoắn phát triển của động cơ BLDC, Td, là tổng của mô-men xoắn do ba giai đoạn:
(1.42) Trong đó I là giá trị rms của dòng điện trong bất kỳ cuộn dây nào.a
Sự khác biệt giữa emf phía sau và điện áp đầu cuối là điện áp giảm do điện trở R và điện kháng cảm ứng X của cuộn dây Tuy nhiên, trừ khi tần số đóa a của PWM cao, chúng ta có thể cho rằng Ra >> Xa Vì thế,
Mạch tương đương của động cơ BLDC dựa trên công thức (5.44) được thể hiện trên hình 1.22 Thay thế Ea trong Phương trình (5.41) và Ia trong Phương trình (5.42) thành Phương trình (5.44) sẽ thu được:
Trong đó là tốc độ không tải Δω là tốc độ rơi
Hình 1.22 Mạch tương đương của động cơ BLDC
So sánh Δω cho động cơ BLDC trong Công thức (5.46) với Δω cho động cơ kích thích riêng một chiều thông thường Đối với cùng các giá trị của điện trở phần ứng và K, Δω đối với BLDC nhỏ hơn hệ số 3. Đặc tính tốc độ-mô-men xoắn và đặc tính tốc độ-dòng điện của động cơ BLDC giống như đặc tính của động cơ được kích thích riêng một chiều cho trên Hình 1.4 và 1.5 Điểm khác biệt duy nhất là BLDC có đặc tính phẳng hơn do giá trị Dv giảm xuống Do đó, động cơ BLDC được coi là một máy có tốc độ không đổi hơn so với động cơ một chiều thông thường. strato roto
Vòng trượtHình1.23 Các thành phần của động cơ cảm ứng
Hãm động cơ một chiều thông thường và không chổi than
Hãm tái sinh của động cơ Shunt DC
Trong các điều kiện vận hành đã cho, khi tốc độ của máy điện một chiều vượt quá tốc độ không tải của nó thì máy điện sẽ ở chế độ hãm phục hồi Ví dụ về kiểu phanh này được đưa ra trong Hình 8.1 đối với xe buýt điện đi theo hướng lên dốc và xuống dốc Theo hướng đi xuống, tốc độ của xe buýt có thể vượt quá tốc độ không tải của nó và do đó tạo ra năng lượng điện có thể được bơm trở lại nguồn.
Như chúng ta đã thấy trước đó trong Hình 5.4, đặc tính tốc độ-mô-men xoắn của động cơ một chiều (riêng biệt hoặc shunt) là tuyến tính Các phương trình cơ bản của động cơ được lặp lại ở đây.
Chúng ta hãy phân tích ba phương trình này trong điều kiện phanh phục hồi cho thanh cái trong Hình 8.1 Xe buýt điện đi lên dốc, rồi xuống dốc Theo hướng lên dốc, máy điện một chiều hoạt động như một động cơ được biểu diễn bởi các phương trình (3.1) đến (3.3) Mômen tải trong trường hợp này ngược với hướng chuyển động của thanh cái và hệ thống truyền động nằm trong góc phần tư thứ nhất như trong Hình 8.2 Mạch tương đương của hệ thống được thể hiện trên hình 3.1 Trong điều kiện này, điện áp emf phía sau Ea nhỏ hơn điện áp đầu cuối V do sụt áp trên điện trở phần ứng R t a
Hình 3.2 mô tả các đặc tính tốc độ-mômen của máy điện một chiều Hình vẽ thu được bằng cách sử dụng Công thức (3.2) Mômen tải trong hình này được giả định là hai chiều, đây là trường hợp của xe buýt điện mà chúng ta đang thảo luận Trong góc phần tư đầu tiên, máy hoạt động như một động cơ như được mô tả bởi mạch trong Hình 3.1 Hãy giả sử rằng điểm hoạt động 1 đại diện cho trường hợp này Khi xe buýt lên đến đỉnh đồi, mômen tải mà động cơ nhìn thấy bằng 0, giả sử rằng mômen ma sát được bỏ qua Điều này là do mômen trọng trường ở đỉnh đồi vuông góc với mặt đường và không kéo động cơ theo cả hai hướng chuyển động Điểm hoạt động 2 ở đây được sử dụng để biểu diễn hoạt động của động cơ ở đỉnh đồi, nơi mômen tải mà động cơ nhìn thấy bằng 0 và tốc độ động cơ là
Vì mômen tải ở đỉnh đồi bằng không nên dòng điện phần ứng cũng phải bằng không.
Hình 3.1 Vận hành động cơ
Hình 3.2 Đặc tính tốc độ-mô-men xoắn
Vì dòng điện bằng không, điện áp rơi trên điện trở phần ứng cũng bằng không Vì thế,
Các phương trình (3.4) đến (3.6) được biểu diễn bằng điểm hoạt động 2 trong Hình 3.2 Điểm vận hành này là điểm vận hành không tải của máy điện một chiều.
Bây giờ giả sử rằng xe buýt điện đang đi theo hướng xuống dốc So với mômen tải tại điểm 1, mômen tải trong chuyển động xuống dốc ngược chiều và cùng chiều với vận tốc Lưu ý rằng tốc độ động cơ sẽ không thay đổi hướng của nó, và động cơ di chuyển đến điểm vận hành 3 trong Hình 3.2.
Trong hoạt động xuống dốc, mômen tải thay đổi hướng của nó trong khi dòng điện trường vẫn theo hướng ban đầu của nó Độ lớn của cường độ dòng điện trường không đổi vì điện áp đầu cuối không đổi Do đó, dòng điện phần ứng tại điểm 3 phải đổi chiều của nó, bởi vì
Trường hợp này được mô tả trong Hình 3.3 Nếu dòng điện phần ứng lớn hơn dòng điện trường thì dòng điện I= Ia3-If Nếu chảy vào nguồn Chú ý rằng Ea3 không đổi hướng vì và K cùng hướng như tại điểm 1 Lúc này động cơ đangf tạo ra công suất điện và truyền cho nguồn.
Tốc độ và dòng điện của máy tại điểm 3 có thể được biểu diễn bằng các phương trình sau:
Hình 3.3 Hoạt động của động cơ tại điểm 3 của Hình 3.2
Hình 3.4 Quá trình hãm tái sinh Lưu ý rằng T là âm Nếu muốn, bạn có thể sử dụng độ lớn của T vàl3 l3 giới thiệu một dấu âm trong Công thức (3.7) và (3.8) như sau:
Vì I là âm, như được thấy trong Công thức (3.10), nên E phải lớn hơna3 a3
Vt Do đó, động cơ đang hoạt động như một máy phát điện.
Hình 3.4 cho thấy tốc độ động cơ so với E Hình vẽ cho thấy tất cả baa điểm hoạt động được thảo luận trong phần này Như bạn thấy, máy hoạt động như một động cơ khi EaV t
Tóm tắt các thay đổi trong các biến máy được đưa ra trong Bảng 9.1 Các các mũi tên trong bảng đại diện cho các hướng Các mũi tên của điểm vận hành số 1 được coi là các mũi tên tham chiếu Kiểm tra bảng so với các trường hợp vừa mô tả.
Hình 3.5 Tóm tắt về hãm tái sinh
Hãm tái sinh của động cơ dòng DC
Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ động cơ vượt quá tốc độ không tải (ở mômen bằng không) Đối với động cơ nối tiếp, ở mô-men xoắn bằng không, tốc độ không tải về mặt lý thuyết là vô hạn Do đó, người ta có thể kết luận rằng động cơ nối tiếp không thể hoạt động trong điều kiện hãm phục hồi Trên thực tế, mạch của động cơ nối tiếp có thể được thay đổi trong quá trình hãm tái sinh để cho phép máy tạo ra năng lượng điện có thể quay trở lại nguồn Hãy xem xét các mạch trong hình 3.6 Mạch ở bên phải của hình cho thấy hoạt động bình thường của động cơ của máy loạt Mạch bên trái hiển thị cấu hình cho hãm phục hồi Trong trường hợp này, mạch trường được kích thích bởi một nguồn riêng biệt Điện áp của nguồn riêng biệt phải đủ thấp để ngăn dòng điện trường trở nên quá mức Điều này là do điện trở trường của động cơ nối tiếp nhỏ: Cuộn dây trường bao gồm một số vòng nhỏ với tiết diện lớn.
Tốt nhất nên chuyển từ mạch ở bên phải sang mạch ở bên trái bằng cách sử dụng công tắc trạng thái rắn Việc chuyển mạch không được để dòng điện trong mạch trường bị ngắt Dòng điện trường liên tục làm giảm quá độ dòng điện và ngăn máy chạy quá tốc độ Một mạch đơn giản cho hoạt động này được thể hiện trong Hình 3.7 Trong hình, S đến S là công tắc trạng thái rắn Trong1 3 quá trình vận hành động cơ, S đóng, và S và S mở như trong Hình 3.7 (a) Khi1 2 3 máy hoạt động trong điều kiện hãm phục hồi, S sẽ mở, S và S đóng Điều này1 2 3 xảy ra theo từng bước Trong bước đầu tiên, S được mở và S được đóng lại1 3 như trong Hình 3.7 (b) Trong trường hợp này, mạch phần ứng được tách ra khỏi cuộn dây trường Để ngăn chặn sự suy giảm của dòng điện trường trong khoảng thời gian từ khi mở S đến khi đóng S , diode quay tự do được sử dụng Dòng1 2 điện quay tự do Ifw giữ cho trường hiện tại liên tục Trong bước thứ hai, S2 được đóng lại và dòng điện trường được cung cấp bởi nguồn riêng V như trongf
Hình 3.7 (c) Máy bây giờ hoạt động trong điều kiện hãm tái sinh tương tự như của máy shunt.
Hãm động lực của động cơ Shunt DC
Hãm động năng được sử dụng để dừng động cơ bằng cách tiêu tán động năng tích trữ của nó thành một tải điện trở Khi động năng đã tiêu hao hoàn toàn, động cơ ngừng quay nếu không có mômen bên ngoài tác dụng Hoạt động bình thường của động cơ shunt một chiều được mô tả trong Hình 3.1 và được mô tả bởi các phương trình (3.1) đến (3.3).
Hình 3.6 Hãm tái tạo của động cơ nối tiếp DC
Hình 3.7 Mạch hãm tái sinh cho động cơ nối tiếp Ở đây, hãm động được giải thích bằng cách sử dụng Hình 3.8 Giả sử rằng máy đang chạy với tốc độ v khi hãm động Ngắt các đầu của mạch phần ứng ra khỏi nguồn điện và được nối qua điện trở hãm R Mạch trường cũngb ngắt khỏi mạch phần ứng nhưng vẫn được kích từ nguồn Ở điều kiện này, emf
Ea sau là nguồn điện áp của mạch phần ứng Dòng điện hãm trong trường hợp này là
Hình 3.8 Hãm động lực Dấu âm trong công thức (3.11) chỉ ra rằng dòng điện hãm có chiều ngược lại với dòng điện phần ứng trong Hình 3.1 Công suất tiêu hao trong quá trình phanh động được cấu tạo bởi hai thành phần chính Đầu tiên là tổn thất cơ học (hoặc tổn thất quay), là do ma sát và tổn thất do gió Thành phần thứ hai là tổn thất điện Pb trong điện trở phần ứng và phanh Tổn thất điện là nguyên nhân chủ yếu làm tiêu tán động năng của động cơ Tổn hao điện càng lớn thì thời gian hãm càng ngắn Những tổn thất này có thể được tính là
Công thức (3.12) chỉ ra rằng công suất điện bị tiêu tán nhiều hơn nếu điện trở hãm R nhỏ và trường mạnh.b
Phương trình (3.11) được biểu diễn bằng đồ thị trong Hình 3.9 Góc phần tư đầu tiên của biểu đồ dành cho hoạt động bình thường của động cơ, nơi động cơ đang hoạt động tại điểm A Vì
Hình 3.9 Đặc tính tốc độ dòng điện khi hãm động lực
Hình 3.10 Mạch hãm động lực Hướng tốc độ không đổi và chiều dòng điện đổi chiều, động cơ trong quá trình hãm động ở góc phần tư thứ hai.
Trong quá trình phanh động, các đặc tính tốc độ-dòng điện là tất cả các đường thẳng có độ dốc âm cắt nhau tại điểm gốc Hình bên cho thấy các đặc tính của ba giá trị khác nhau của điện trở phanh, trong đó (Rb1 V Dòng điện i trong12 dc 12 hình là dòng điện chạy qua cuộn dây 1
Hình 3.36 Mạch động cơ BLDC lưỡng cực trong quá trình hãm phục hồi Được thể hiện trong Hình 3.37 Bởi vì cấu hình là một mạch xoay chiều ba pha, đầy sóng, nên có sáu xung dòng điện trong một chu kỳ như đã cho trong mục 3.11 Trường hợp trong hình là dòng điện không liên tục, xảy ra khi điện áp một chiều cao.
Dòng điện i đi qua điện trở phần ứng của cuộn dây 1 và 2 Như vậy12
Hình 3.37 Cường độ dòng điện trung bình của đoạn mạch ba cuộn sóng toàn sóng này là:
(3.43) Trong đó Vlmax là điện áp đỉnh đường dây Do đó, dòng điện trung bình là
Góc giao hoán là một hàm của , như đã cho trong Công thức (3.39) Vì thế,
(3.45) Công suất giao cho nguồn là
Vì dòng điện phần ứng tỷ lệ thuận với mômen tải Td nên Iave ở trạng thái ổn định chỉ được xác định bởi mômen tải Vì thế,
(3.47)Khi hãm tái sinh đang cung cấp một lượng lớn năng lượng cho nguồn một chiều, dòng điện có xu hướng liên tục, như thể hiện trong Hình 9.38 Trong trường hợp này, = 60 và = 120 Dòng điện trung bình trong trường hợp này 0 0 cũng có thể được tính từ Công thức (3.44).
(3.48) Dòng điện rms I trong mỗi cuộn dây có thể được tính là:
Hãm động của động cơ BLDC
Quá trình hãm động có thể được thực hiện bằng mạch trong Hình 3.39. Trong hình, việc kích hoạt các công tắc trạng thái rắn của bộ chuyển đổi bị vô hiệu hóa Một công tắc bật tắt (SW), là trạng thái cơ học hoặc rắn, chuyển mạch từ vị trí A để động cơ hoạt động bình thường sang vị trí B để hãm động
Hình 3.39 Hãm động của máy BLDC lưỡng cực
Hình 3.40 Các dạng sóng của mạch trong Hình 3.39
Các dạng sóng của mạch được thể hiện trên hình 3.40 Vì ngắt điện áp nguồn Vdc ra khỏi mạch nên dòng điện sẽ luôn liên tục Độ lớn của dòng điện khi SW di chuyển đến điểm B có thể được tính là:
(3.52) Trong đó Rb là điện trở hãm giới hạn cường độ dòng điện hãm và điều khiển thời gian dừng máy.
Dòng điện trung bình đi qua điện trở hãm là do dòng điện trong tất cả các cuộn dây
(3.53) Trong đó Vlmax là điện áp đỉnh đường dây Do đó, dòng điện trung bình là:
(3.54)Bởi vì mạch chỉ bao gồm các điốt, = 60 và = 120 Do đó, 0 0
Hãm ngược dòng của động cơ BLDC
Cũng như đối với máy điện một chiều thông thường, hãm ngược dòng cho máy BLDC có hai dạng: cắm và đảo thứ tự (SR) Việc cắm phù hợp với tải trọng trường và có thể được thực hiện bằng cách đưa điện trở vào mạch phần ứng hoặc giảm điện áp đầu cuối của máy điện Với những tiến bộ trong điện tử công suất, phương pháp thứ hai là phương pháp hiện đang được sử dụng. Phương pháp SR phù hợp với bất kỳ loại mômen tải nào (trọng trường hoặc đảo chiều).
Chúng ta có thể viết lại Phương trình (3.32) sau khi chúng ta thay thế giá trị của điện áp đầu cuối cho trong Phương trình (1.40).
Do đó, phương trình tốc độ-mô-men xoắn có thể được viết dưới dạng
(3.57) Đặc tính tốc độ-mô-men xoắn của máy BLDC dựa trên Công thức (3.57) được thể hiện trên Hình 3.41 Đối với mômen tải một chiều cho trước, tốc độ của máy có thể được điều khiển bằng cách thay đổi hệ số điều chế mf Khi máy hoạt động tại điểm 1 trong hình, nó đang chạy như một động cơ Khi hệ số điều chế được giảm đến một giá trị làm dừng quay, điểm 2, động cơ đang ở điều kiện giữ Khi hệ số điều chế giảm hơn nữa, điểm 3, máy đổi chiều quay và hoạt động như một máy phát
Hình 3.41 Cắm máy BLDC 3.9.2 Đảo ngược trình tự của động cơ BLDC:
Việc đảo thứ tự được thực hiện bằng cách hoán đổi tín hiệu kích hoạt của hai chân trong mạch chuyển mạch trong hình 5.17 Ví dụ: khi các tín hiệu kích hoạt của Q1 và Q4 được hoán đổi với các tín hiệu kích hoạt của Q3 và Q6,chuỗi sẽ trở thành 1, 3, 2 thay vì 1, 2, 3 Bằng cách này, từ trường trong airgap đảo ngược chuyển động quay của nó và rôto quay theo hướng mới của từ trường Tác động của việc đảo ngược trình tự cũng giống như khi chúng ta đảo ngược các cực của điện áp đầu cuối đối với động cơ điện một chiều loại chổi than Trong điều kiện trạng thái ổn định, như trong Hình 3.42, máy hoạt động ở góc phần tư 3 hoặc 4 tùy thuộc vào loại mômen tải: nếu mômen quay là một chiều, góc phần tư vận hành là 4; nếu mô-men xoắn là đảo ngược, góc phần tư vận hành là 3.
