GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN I - Phần I: Máy điện một chiều - Chương 10 pdf

96 Chương 9 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐẶC BIỆT CÔNG SUẤT NHỎ 1. Động cơ một chiều không chổi than Động cơ một chiều với cấu trúc bình thường có hàng loạt nhược điểm do bộ phận đổi chiều, vành góp gây ra làm hạn chế phạm vi sữ dụng của chúng. Trong thời gian gần đây đã xuất hiện và đưa vào sử dụng ngày càng rộng rải, nhất là trong các hệ thống điều khiển tự động một loại động cơ với tên gọi là động cơ một chiều không chổi than (Brushless-DC Motor). Động cơ một chiều không chổi than với bộ phận đổi chiều điện tử đã thỏa mản các yêu cầu cao về độ tin cậy trong các điều kiện làm việc đặc biệt (chân không, nhiệt độ thay đổi, va đập mạnh, rung động nhiều). Bộ phận đảo chiều có cấu tạo từ các linh kiện điện tử thay thế cho vành góp_chổi than làm cho động cơ một chiều không chổi than mất đi những nhược điểm của động cơ một chiều thông thường. 1.1 Cấu tạo: Khác với động cơ một chiều bình thường, động cơ một chiều không chổi than có phần ứng bất động nằm trên stator và phần cảm quay nằm trên rotor. Trên hình 9.1 a vẽ mô hình của động cơ một chiều bình thường và hình 9.1b vẽ mô hình động cơ không chổi than. Hình 9.1 Mô hình đơn giản của động cơ một chiều bình thường (hình a) và động cơ một chiều không chổi than (hình b) Vò trí các phần tử của động cơ một chiều không chổi than trên hình 9.1b như sau: 1. Stator của động cơ. 2. Rotor bằng nam châm vỉnh cửu. 3. Dây quấn phần ứng đặt trên stator. 4. Giá đở chổi than. 5. Chổi than (để đơn giản nên hình 9.1b thay bộ phần đổi chiều bằng 4 và 5). 97 Stator của động cơ một chiều không chổi than được ghép từ các lá thép kó thuật điện có xẽ rảnh. Trong các rảnh của Stator đặt cuộn dây phần ứng như các loại động cơ bình thường khác. Phần cảm của động cơ không chổi than thường được làm bằng nam châm vónh cửu. Đặc điểm nổi bật của động cơ là bộ phận đảo chiều bằng điện tử mà trong hình 9.1b được đơn giản hoá bằng giá đở chổi than và chổi than đặt trên rotor. Ngoài stato, rotor và bộ phận đảo chiều bằng điện tử thì trên vỏ máy còn gắn một cảm biến vò trí. Cảm biến vò trí có cấu tạo từ hai thành phần: phần quay gọi là rotor và phần đứng yên gọi là stator. Rotor của cảm biến vò trí có dạng hình tròn khuyết đặt trên cùng một trục với rotor động cơ, đây là phần tử tạo tín hiệu của cảm biến vò trí. Stator của cảm biến vò trí là các phần tử cảm ứng, số lượng của các phần tử cảm ứng này bằng với số pha của động cơ và vò trí của chúng tương ứng với vò trí các pha của động cơ. Tóm lại: cấu tạo động cơ một chiều không chổi than gồm 3 thành phần chính sau: • Stator và rotor, trên Stator được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có xẽ rảnh, bên trong có đặt cuộn ứng m pha và rotor đựơc làm bằng nam châm vónh cửu. • Cảm biến vò trí đặt cùng trục với động cơ có chức năng cảm nhận vò trí của rotor và biến đổi tín hiệu đó thành tín hiệu điều khiển xác đònh thời điểm và thứ tự đổi chiều. • Bộ phận đổi chiều không chổi than cấu tạo bằng các linh kiện điện tử thực hiện đổi chiều dòng điện của các cuộn cảm trên stator động cơ theo tín hiệu điều khiển từ cảm biến vò trí. 1.2 Nguyên lý hoạt động: Hình 9.2 trình bày sơ đồ nguyên lí đơn giản của động cơ một chiều không chổi than với ba cuộn dây trên stator. Ta sẽ phân tích nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều không chổi than theo sơ đồ này. Cuộn dây phần ứng đặt trên các rảnh của stator gồm có ba pha A, B, C, lệch nhau trong không gian một góc 120 0 và được nối hình sao. Bộ phận đổi chổi gồm ba transistor Q 1 , Q 2 , Q 3 , mắc nối tiếp với các pha A, B, C của động cơ. Các transistor này làm việc ở chế độ ngắt dẩn, nghóa là có hai trạng thái làm việc: trạng thái dẩn khi có tín hiệu điện ở chân B của chúng và trạng thái ngắt khi không có tín hiệu điện ở chân B của chúng. Tín hiệu điện do phần cảm ứng của cảm biến vò trí tạo ra. Nguyên lý hoạt động của động cơ theo hình 9.2 như sau: Giả sử ban đầu vò trí phần tử cảm biến tín hiệu của cảm biến vò trí nằm gần phần tử cảm ứng ở pha A (phần tử cảm ứng của cảm biến vò trí đặt tương ứng với các pha của động cơ). Khi phần tử cảm biến tín hiệu của cảm biến vò trí 98 ở vò trí trên (vò trí 1 trên hình 9.2) thì sẽ xuất hiện một tín hiệu điều khiển C A , tín hiệu này kích vào cực B của transistor Q 1 làm cho Q 1 dẩn. Các transistor khác không có tín hiệu nên ở trạng thái ngắt. Khi Q 1 dẩn trong pha A của cuộn ứng có dòng điện I A chạy qua. Nhờ sự tương tác giửa sức từ động F A của cuộn ứng pha A với từ thông của từ trường rotor bằng nam châm vónh cửu làm cho rotor quay theo chiều kim đồng hồ. Do phần tử tín hiệu của cảm biến tín hiệu gắn đồng trục với rotor của động cơ nên khi rotor quay thì phần tử này củng quay theo. Hình 9.2 Sơ đồ nguyên lý đơn giản của động cơ một chiều không chổi than với stato có ba cuộn dây. Khi góc quay của rotor lớn hơn 30 0 so với vò trí ban đầu một ít, phần tử tín hiệu tác động đồng thời lên hai phần tử cảm ứng của cảm biến vò trí nằm trên pha A và B (vò trí 2 trên hình 9.2). Có tín hiệu điều khiển ở chân B của các transistor Q 1 , Q 2 làm cho hai transistor này dẩn, dòng điện chạy trong pha A và B của dây quấn phần ứng. Transistor Q 3 không có tín hiệu điều khiển nên vẩn không dẩn. Khi có thêm sức từ động F B thì sức từ động tổng sẽ lệch đi khoãng 60 0 so với vò trí ban đầu và tác động với từ trường của rotor nam châm vónh cửu làm cho rotor động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ. Khi góc quay của rotor lớn hơn 90 0 so với vò trí ban đầu một ít (vò trí 3 trên hình 9.2) phần tử tín hiệu chỉ tác động lên phần tử tín hiệu đặt trên pha B. Khi đó sẽ có tín hiệu C A làm cho transistor Q 2 dẩn, các transistor khác không dẩn do không có tín hiệu điều khiển. Transistor Q 2 dẩn thì có dòng điện chạy trong cuộn dây pha B của cuộn dây phần ứng tạo nên sức từ động F B , đây củng 99 chính là sức từ động của dây quấn stato lúc này. Do đó, rotor của động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ như ban đầu. Quá trình trên cứ tiếp tục tiếp diển, tín hiệu điều khiển từ cảm biến vò trí được đưa vào các transistor của bộ phận đổi chiều và làm cho chúng dẩn hoặc ngưng dẩn đúng lúc; cấp điện hoặc không cấp điện cho các cuộn dây stator tạo nên sức từ động trên dây quấn này tác động với từ trường của rotor bằng nam châm vỉnh cửu làm cho rotor quay. Khi tăng số pha của cuộn stator, thì số phần tử cảm ứng của cảm biến vò trí và số transistor của bộ phận đổi chiều củng tăng tương ứng và động cơ vẩn hoạt động theo nguyên tắc trên. Nếu tăng số phần tử cảm ứng và số transistor bằng số bối dây và số phiến góp của động cơ điện một chiều có vành góp bình thường thì đặc tính của động cơ một chiều không chổi than hoàn toàn giống với động cơ điện một chiều có vành góp. Quá trình vật lí trong động cơ một chiều không chổi than củng được mô tã bằng các phương trình của động cơ vành góp công suất nhỏ trình bày ở phần 1.2. Tuy nhiên, việc tăng số lượng các pha dây quấn stator kéo theo sự phức tạp của sơ đồ điều khiển. Vì vậy, trong thực tế số pha của dây quấn thường không vượt quá bốn. 2 Động cơ chấp hành một chiều : Hầu hết các động cơ công suất nhỏ sử dụng trong các hệ thống điều khiển tự động và các chức năng riêng lẽ khác ở dạng động cơ chấp hành (servo motor). Động cơ chấp hành nói chung là loại máy điện có chức năng biến đổi tín hiệu điện đầu vào (thường là điện áp) thành vận tốc góc hoặc chuyển động của trục động cơ. Chúng được chế tạo để đáp ứng hầu hết các chức năng chuyển đổi tín hiệu. Động cơ loại này có thể hoạt động ở chế độ làm việc dài hạn, ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại tuỳ theo cấu trúc. Được sử dụng như động cơ chấp hành còn có động cơ một chiều kích thích độc lập, động cơ bước đồng bộ, Ferraris motor, amplidyne motor_generator. Ứng dụng của động cơ chấp hành tuỳ thuộc vào đặc tính của các hệ thống điều khiển, mục đích của hệ thống điều khiển, vò trí vận hành và các yêu cầu khác khi được sử dụng như những bộ phận cấu thành nên hệ thống. Động cơ chấp hành thường đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau: • Đặc tính làm việc ổn đònh ở mọi vận tốc. • Điều chỉnh tốc độ quay dể dàng, bằng phẳng kinh tế và có phạm vi điều chỉnh rộng. • Dừng tức thời (động cơ phải dừng ngay lập tức khi mất tín hiệu điều khiển). • Đáp ứng nhanh. • Điều khiển tải công suất lớn gắn trên trục với tín hiệu điều khiển bé. 100 Trong năm yêu cầu trên thì yêu cầu thứ năm là yêu cầu chủ yếu vì hầu hết tín hiệu điều khiển động cơ loại này đều có công suất bé (tín hiệu ngõ ra từ các thiết bò điện tử). 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ chấp hành một chiều công suất nhỏ: Theo cấu trúc động cơ chấp hành một chiều gồm có các loạïi sau: • Động cơ chấp hành một chiều quán tính nhỏ với rotor rổng không từ tính. • Động cơ chấp hành một chiều với phần ứng không có rảnh (rotor hình dóa), dây quấn phần ứng được bố trí trực tiếp lên mặt hình trụ của rotor. • Động cơ chấp hành một chiều thông thường kích thích độc lập hoặc kích thích bằng nam châm vỉnh cửu. Động cơ chấp hành một chiều có cấu tạo như loại thứ nhất và loại thứ hai ít được đề cập đến trong các giáo trình máy điện; động cơ chấp hành một chiều thông thường thì lại có nhiều tài liệu nói đến nên ở đây chỉ xin nêu thêm về đặc điểm cấu tạo của hai loại động cơ chấp hành thứ nhất và thứ hai tức là động cơ chấp hành một chiều quán tính nhỏ với rotor rổng không từ tính và động cơ chấp hành một chiều với phần ứng không có rảnh (rotor hình dóa). 2.1.1 Cấu tạo động cơ chấp hành một chiều rotor rỗng không từ tính. Hình 9.3 trình bày cấu tạo của động cơ chấp hành một chiều với rotor rổng không từ tính. Động cơ được cấu tạo với rotor rổng nhằm mục đích làm giảm đến mức thấp nhất quán tính của động cơ khi ngưng hoạt động. Rotor của động cơ có thể được chia làm hai phần như sau: phần thứ nhất là một khối gồm có chổi than, các vành góp và kột khối hình trụ rổng bằng plastic (chổi than và vành góp có cấu tạo giống như ở động cơ một chiều bình thường), phần còn lại là lõi sắt. Lõi sắt 6 là phần nặng hơn và được cố đònh cùng với võ máy, phần này có tên gọi là stator trong, có chức năng như một dòng điện cảm ứng. Stator 3 của động cơ giống như stator của động cơ một chiều thông thường có xẽ rảnh để mang dây quấn phần cảm 2 còn được gọi là stator ngoài. Phần ứng 5 là một hình trụ rổng được làm bằng plastic có đặt dây quấn trong rảnh hoặc mang trên bề mặt của nó một lớp dây quấn mỏng. Phần này xoay được trong khe hở không khí nằm giửa stator trong và stator ngoài. Nguồn điện được cung cấp cho phần ứng thông qua chổi than 1 và vành góp 7. Động cơ được bao bọc và cố đònh bởi vỏ máy 4. 101 Hình 9.3 Động cơ chấp hành một chiều với rotor rổng không từ tính. Với những đặc điểm cấu tạo như trên thì kết quả có được là động cơ một chiều với rotor rổng sẽ có mômen quán tính nhỏ hơn nhiều so với động cơ một chiều với rotor hình trụ thông thường. 2.1.2 Cấu tạo động cơ chấp hành một chiều với phần ứng không có rảnh (rotor hình dóa) Động cơ chấp hành một chiều với phần ứng không có rãnh (rotor hình dóa) được mô tả ở hình 9.4 có các đặc điểm sau: Rotor hình dóa 1 của động cơ có hình dóa dẹt và không có lổ thông gió, được làm từ những vật liệu không từ tính như: ceramic, textolite hay aluminium, dây quấn của rotor được bố trí sát bề mặt nhẳn của nó chứ rotor không có rảnh. Dây quấn được bố trí đều ở hai mặt của rotor thông qua những lổ khoang gần trục động cơ. Động cơ được kích thích bởi nam châm vỉnh cửu 5 với đầu cực 3 của nam châm được chế tạo từ thép không gó có dạng khối tròn. Động cơ chấp hành một chiều phần ứng không có rãnh (rotor hình dóa) khác với động cơ một chiều ở chổ rotor của động cơ không có rảnh để đặc dây quấn mà dây quấn được bố trí trực tiếp trên bề mặt nhẳn của rotor (printed winding). Việc rotor động cơ không có rãnh và dây quấn được bố trí như trên làm cho khe hở không khí giửa cực từ và lõi phần ứng tăng lên đồng thời làm giảm điện kháng phần ứng. Hình 9.4 Động cơ chấp hành một chiều với rotor hỉnh dóa 102 2.2 Các phương pháp điều khiển động cơ chấp hành một chiều: Động cơ chấp hành một chiều có thể được điều khiển theo một trong hai cách sau: Điều khiển liên tục là phương pháp điều khiển sử dụng tín hiệu điều khiển liên tục theo thời gian nhưng có độ lớn thay đổi. Tín hiệu điều khiển thường là điện áp phần ứng nên phương pháp điều khiển này còn được gọi là điều khiển phần ứng. Điều khiển cực là phương pháp điều khiển khi ta đưa điện áp điều khiển vào cuộn kích thích. 2.2.1 Điều khiển phần ứng: Sơ đồ điều khiển như hình 9.5 cuộn dây kích thích nối trực tiếp vào lưới điện có điện áp cons t UU KT == . Cuộn dây phần ứng đặt vào điện áp điều khiển có trò số thay đổi constU ĐK ≠ Do constUU KT = = nên dòng điện chạy trong cuộn kích từ constI KT = do đó từ thông của cuộn kích từ const KT = Φ . Ta có: KTKT U.C Φ =Φ Với Φ C là hệ số khuyếch đại. Khi phần ứng quay, các dây dẩn của nó cắt từ trường kích thích và trong cuộn dây phần ứng (củng chính là cuộn dây điều khiển) sẽ cảm ứng một sức điện động E ĐK , trò số của E ĐK được cho ở công thức : n.U.CCn CE KTEKTK Φ = Φ = Dòng điện phần ứng chính là dòng điện điều khiển có giá trò như sau: Hình 9.5 Sơ đồ điều khiển phần ứng động cơ chấp hành một chiều 103 Với ĐK r là điện trở của mạch điện phần ứng. Tương tác giữa KT Φ và ĐK I tạo ra momen quay như biểu thức sau: ĐKKTMĐKKTM I.U.C.CI CM Φ = Φ = Kết hợp 2 công thức trên, ta có: ĐK 2 KT 2 MKKTM r n.U.C.C.CU.U.C.C M ΦΦ − = Tín hiệu điều khiển KT ĐK U U =α là điện áp điều khiển trong hệ đơn vò tương đối. Thay KTĐK U.U α= vào biểu thức trên ta được : ĐK 2 KT 2 ME 2 KTM r n.U.C.C.CU C.C M ΦΦ −α = Chúng ta sẽ thay các giá trò thực của M, n, U ĐK bằng các giá trò trong hệ đơn vò tương đối để dễ so sánh đặc tính của các động cơ có công suất khác nhau và tốc độ khác nhau. Với giá trò momen trong hệ đơn vò tương đối : mm M M m = Với M mm là momen mở máy của động cơ; khi động cơ mở máy n = 0, U ĐK = U KT suy ra 1=α . Biểu thức M có thể được viết lại như sau: ĐK 2 KTM mm r U.C.C M Φ = (9-1) Thay các biều thức trên vào biểu thức m ta được: n.C.Cm E Φ −α= Tốc độ quay trong hệ đơn vò tương đối : 0 n n v = Với n 0 là tốc độ quay không tải lý tưởng; tốc độ này đạt được khi m = 0, 1=α . Biểu thức 1.1.20 có thể được viết lại như sau: Φ = C.C 1 n E 0 (9-2) Thay các biều thức v và n 0 vào biểu thức của m ta được: vm −α= Từ biểu thức trên ta rút ra nhận xét: momen quay của động cơ chấp hành một chiều khi điều khiển phần ứng là môït hàm bật nhất (tuyến tính) của tốc độ quay v và hệ số tín hiệu điều khiển α . 104 2.2.2 Điều khiển cực: Như đã đề cập đến ở phần trên thì phương pháp điều khiển cực là phương pháp mà điện áp điều khiển được đặc vào cuộn dây phần cảm (cực từ) còn điện áp kích từ chính là điện áp lưới đặt vào cuộn dây phần ứng (hình 9.6). Hình 9.6 Sơ đồ điều khiển cực động cơ chấp hành một chiều Vì điện áp kích từ trong phương pháp này lớn ( LướiKT UU = ) nên đối với những động cơ có công suất lớn hơn 10 watt thì người ta thường mắc thêm một điện trở phụ R P nối tiếp với mạch phần ứng để hạn chế dòng điện khởi động. Trên cuộn dây điều khiển (cuộn dây cực từ) chỉ đặt vào điện áp điều khiển (chỉ có tín hiệu điều khiển) khi có yêu cầu làm chuyển động rotor. Từ thông chính của động cơ là từ thông của cuộn dây điều khiển ĐK Φ . Trò số của ĐK Φ khi mạch từ của máy không bão hoà sẽ tỉ lệ với ĐK I có nghóa là tỹ lệ với ĐK U . KTĐKĐK U CU.C α = =Φ ΦΦ Trong đó: hệ số tín hiệu Lưới ĐK KT ĐK U U U U ==α Khi phần ứng quay, trong cuộn dây phần ứng (cuộn kích thích) cảm ứng một sức điện động E KT : n.U.C.Cn CE ĐKKEKT Φ = Φ = Dòng điện kích từ I KT bằng: KT KTKT KT r EU I − = 105 Tương tác giửa từ thông cuộn dây điều khiển ĐK Φ với dòng điện kích từ I KT sinh ra momen quay M. KTĐKM I CM Φ = Hay: KT 2 KT 22 EM 2 KTM r n.U C.C.CU C.C M α−α = ΦΦ Qui các biểu thức trên về giá trò tương đối ta có biểu thức momen trong hệ đơn vò tương đối là: )v,(fv.m 2 α=α−α= Với: KT ĐK U U =α ; 0 n n v = ; mm M M m = Trong đó: Φ ==α == C.C 1 nn E )0m;1(0 KT 2 ĐKM )1;0n(mm r U.C.C MM Φ =α= == 3 Máy phát tốc một chiều Máy phát tốc nói chung là loại máy điện công suất nhỏ làm việc ở chế độ máy phát, chúng có chức năng chuyển đổi tín hiệu góc quay thành tín hiệu điện. Trong trường hợp này, qui luật chuyển đổi phụ thuộc vào đặc tính ngõ ra của máy phát tốc. 3.1 Đặc tính ngõ ra của máy phát tốc một chiều: Dựa vào cấu tạo, nguyên lý làm việc, máy phát tốc một chiều thực chất là máy điện một chiều kích từ độc lập hoặc bằng nam châm vỉnh cửu (hình 9.7). Hình 9.7 Sơ đồ máy phát tốc một chiều kích thích độc lập. Đặc tính ngõ ra của máy phát tốc một chiều là mối quan hệ giửa điện áp ra ở hai đầu cực của phần ứng và tốc độ quay của phần ứng khi tải thuần trở R t có giá trò không đổi và từ thông Φ là hằng số. Theo lý thuyết máy điện thì sức điện động E F của phần ứng tỹ lệ thuận với từ thông Φ và tốc độ quay của phần ứng. Vì vậy, với từ thông Φ là hằng số thì ta có biểu thức sau: Φ = .n.CE EF [...]... dòng i n phần ứng như sau: U IF = F Rt Phương trình cân bằng i n áp của máy phát tốc một chiều: U F = E F − I F rF − ΔU ch Trong đó: EF là sức i n động phần ứng IF là dòng i n phần ứng rF là i n trở cuộn ứng ΔU ch là i n áp r i trên ch i than Từ các biểu thức trên ta nhận được biểu thức đặc tính i n áp ra của máy phát tốc một chiều như sau: C Φ.n − ΔU ch UF = E r 1+ F Rt Nếu xem như i n áp r i. .. trên ch i than không đáng kể và có thể bỏ qua thì biểu thức trên có thể viết l i như sau: C Φ.n UF = E = K.n rF 1+ Rt Nếu từ thông Φ , i n trở phần ứng rF và i n trở t i Rt không đ i thì quan hệ U F = f (n) là tuyến tính v i hệ số khuyếch đ i (độ dốc) K được xác đònh như sau: Khi CE, Φ , Rt càng lớn và rF càng nhỏ thì độ dốc của i n áp ra càng lớn Trong trường hợp máy hoạt động ở chế độ không t i (... càng lớn Trong trường hợp máy hoạt động ở chế độ không t i ( R t = ∞ ) thì độ dốc của i n áp ra là lớn nhất Hình 9.8 Đặc tính ra của máy phát tốc một chiều Ưu i m của máy phát tốc một chiều là có trọng lượng và kích thước nhỏ nhưng công suất lớn V i máy phát tốc kích từ bằng nam châm vónh cửu không cần có nguồn nu i 106 . 96 Chương 9 MÁY I N MỘT CHIỀU ĐẶC BIỆT CÔNG SUẤT NHỎ 1. Động cơ một chiều không ch i than Động cơ một chiều v i cấu trúc bình thường có hàng loạt nhược i m do bộ phận đ i chiều, vành. b i dây và số phiến góp của động cơ i n một chiều có vành góp bình thường thì đặc tính của động cơ một chiều không ch i than hoàn toàn giống v i động cơ i n một chiều có vành góp. Quá trình. hành một chiều v i rotor hỉnh dóa 102 2.2 Các phương pháp i u khiển động cơ chấp hành một chiều: Động cơ chấp hành một chiều có thể được i u khiển theo một trong hai cách sau: i u khiển