Giáo trình Máy điện 1- Chương 7: Máy điện đặc biệt

Giáo trình Máy điện 1- Chương 7: Máy điện đặc biệt giới thiệu tới người đọc các nội dung: Động cơ điện một pha có vành góp, động cơ nối tiếp một pha, động cơ điện một chiều không chổi than, động cơ bước. Mời các bạn tham khảo.

Chương 7

Động cơ điện xoay chiều một pha có vành góp nói chung có kết cấu tương tự như MĐMC thông thường, chỉ khác là điện áp đặt vào là điện áp xoay chiều một pha Động cơ nầy được dùng nhiều

7.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT PHA CÓ VÀNH GÓP

7.1.1 sđđ biến áp và sđđ quay

1 Khái niệm về sđđ biến áp và sđđ quay

Khi đưa điện áp xoay chiều một pha vào dây quấn phần ứng của máy điện xoay chiều có vành góp, nói chung trong chúng có hai loại sđđ cảm ứng:

+ Sđđ kiểu như mba gọi là sđđ biến áp Eba, vì sự liên hệ giữa dây quấn kích

thích và dây quấn phần ứng qua từ trường xoay chiều cũng tương tự như sự liên hệ giữa các dây quấn sơ cấp và thứ cấp của mba

+ Sđđ do phần ứng quay gây nên gọi là sđđ quay E q, vì khi phần ứng quay các thanh dẫn sẽ cắt các đường sức từ trường và gây nên sđđ cảm ứng giống như trong máy điện một chiều thông thường

2 Xét sđđ biến áp

Giả sử khi đặt điện áp xoay chiều vào dây quấn kích thích K ở phần tỉnh máy điện xoay chiều một pha (hình 7.1), từ thông  do nó sinh ra sẽ đập mạch với tần

số f của lưới điện

Giả thiết phần ứng đứng yên (n = 0): hiện tượng xảy ra như trong mba, ở đây

dây quấn sơ cấp là dây quấn kích thích còn dây quấn thứ cấp là dây quấn phần ứng Các thanh dẫn của dây quấn phần ứng ở hai bên trục của dây quấn kích thích

sẽ cảm ứng sđđ trái dấu nhau



(c)

+ Khi chổi than AB trên đường trung tính hình học: Eba = 0

+ Khi chổi than AB đặt dọc trục dây quấn kích từ: Eba, max

Về tần số và trị số hiệu dụng của sđđ biến áp:

- Tần số f : là tần số f của lưới điện của điện áp xoay chiều

- Trị hiệu dụng sđđ biến áp: Eba  2fNkdqm

Trong đó: kdq = hệ số dây quấn

N = số vòng dây của một nhánh dây quấn phần ứng

+ Khi chổi than AB dịch khỏi đường trung tính hình học một góc :

Còn khi phần ứng quay: Sđđ Eba không đổi, giống như khi đứng yên, còn tần

số của Eba là fba bằng tần số f của lưới điện

3 Xét sđđ quay

Giả thiết từ thông m = Ct và phần ứng

quay với tốc độ n, như vậy máy giống máy

điện một chiều thông thường Vậy Sđđ cảm

ứng trong dây quấn phần ứng đã có ở máy

điện một chiều như:

 Eq = Eqmax khi chổi than trên đường trung tính hình học

 Eq = 0 khi chổi than trên trục cực từ

 Còn khi chổi than lệch khỏi đường trung tính hình học góc 





 E cos

Thực tế, từ thông m đập mạch với tần số f và phần ứng quay n, ta thấy:

 Trong mỗi phần tử tồn tại hai sđđ:

+ Sđđ biến áp có tần số fba = f, là tần số của lưới điện

Eba()





Từ (7.4), ta thấy từ thông m đập mạch với tần số f thì sđđ quay Eq cũng đập mạch với tần số f Tốc độ quay n chỉ làm thay đổi chiều và trị số của sđđ quay Eq

7.1.2 ĐỘNG CƠ NỐI TIẾP MỘT PHA

1 Sơ lƣợc cấu tạo và nguyên lý làm việc Cấu tạo

Nói chung cấu tạo (hình 7.4a) của động cơ nối tiếp một pha không khác máy điện một chiều kích từ nối tiếp thông thường Chú ý là cực từ được làm bằng thép

kỹ thuạt điện để giảm tổn hao dòng xoáy và từ trễ Trên cực từ có quấn dây quấn kích từ K, dây quấn bù B và dây quấn cực từ phụ F để cải thiện đổi chiều như máy điện một chiều thông thường Sơ đồ nối dây của động cơ một pha kích từ nối tiếp được trình bày trên hình 7.4b

Khi đặt điện áp xoay chiều U một pha vào động cơ, từ thông  của cuộn kích từ nối tiếp tác dụng lên dòng điện I chạy trong dây quấn phần ứng tạo nên mômen làm động cơ quay

Hình 7.3 Sđđ quay Eq sinh ra trong dây quấn phấn ứng do từ trường đập mạch

2 Mômen của động cơ

Gọi: iæ Iæmsint : dòng tức thời của phần ứng;

msin(t) : từ thông kích thích tức thời

Trong đó:  là góc lệch pha của  và iư

Giống máy điện một chiều, ta có trị số tức thời của mômen là :

)tsin(

.tsinICM

iCM

m æm

M t

æ M t

)t(dMdt

MT

T t tb

Trong đó: Iư = trị hiệu dụng của dòng điện phần ứng

 = trị hiệu dụng của từ thông kích thích

3 Đồ thị vectơ

Giả thiết: + Động cơ quay với tốc độ n, và

+ Chổi than đặt trên đường trung tính hình học

M t

t 0

2 

Hình 7.5 Đường cong dòng điện, từ

thông và mômen của động cơ điện

nối tiếp một pha



Ta có phương trình cân bằng điện áp:

RIXX

IjE

U q  ( K  )

R I X I j E

trong đó: U = Điện áp đặt vào động cơ

Eq = Sinh ra bởi từ thông m ngược pha với m vì lv chế độ động cơ

I = dòng điện chạy trong dây quấn vượt trước m một góc 

XK = điện kháng toàn phần của dây quấn kích từ

X = Tổng điện kháng của dây quấn phần ứng, dây quấn bù, dây quấn cực từ phụ

R, X = Tổng điện trở và điện kháng của dây quấn kích thích, phần ứng, dây quấn bù, cực từ phụ

âm

nn

0.5 1.5

IX

j 

I

jXk

IR

U

b) Đặc tính  và cos = f(M)

Đặc tính hiệu suất và hệ số công suất của động cơ là quan hệ của hiệu suất và

hệ số công suất với mômen,  và cos =f(M) như trình bày trên hình 7.8

Trên hình 7.8, trình bày một họ đặc tính các quan hệ , cos = f(M) với các điện

áp khác nhau Từ đồ thị cho thấy khi điện áp càng giảm thì cả hiệu suất và cos

đều giảm Để nâng cao hệ số công suất cos ta có thể giảm điện kháng bằng cách giảm khe hở không khí hoặc dùng dây quấn bù

5 Ứng dụng

Động cơ điện có vành góp một pha với công suất lớn dùng trong điện khí hóa

đường sắt, còn công suất nhỏ dùng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng với yêu cầu tốc độ cao như máy mài, máy khoan, máy hút bụi, máy lau nhà, máy khâu

Hình 7.9 vẽ sơ đồ động cơ kích thích nối tiếp vạn năng, nghĩa là có thể làm việc với nguồn điện cung cấp xoay chiều hoặc một chiều Khi dùng điện áp một chiều, vì không có điện áp rơi trên điện kháng nên với cùng trị số điện áp thì tốc độ quay sẽ lớn hơn Để tốc độ quay không đổi người

ta lấy đầu ra cho điện áp một chiều và xoay chiều khác nhau Tụ điện C dùng để chống nhiễu vô tuyến điện

7.2 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC)

Động cơ BLDC hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than lần đầu tiên xuất hiện năm 1962 khi T.G Wilson và P.H Trickey chế tạo một ra động cơ

Hình 7.9 Sơ đồ nguyên lý của động cơ kích

thích nối tiếp vạn năng

điện DC đổi chiều dùng thiết bị bán dẫn Sau đó, cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất cùng với các mạch điện tử, các vi xử lý đi kèm nên nó được phát triển nhanh chóng và đưa vào ứng dụng trong nhiều nghành công nghiệp như tự động hóa, vũ trụ, tiêu dùng, thiết bị y tế vv

Động cơ BLDC được ứng dụng rộng rãi và thay thế các động cơ khác trong các truyền động chính xác bởi vì nó có các ưu điểm là có đặc tính cơ tốt , đáp ứng tải tốt, hiệu suất cao, tuổi thọ cao, không có tiếng ồn khi làm việc và dãi tốc độ vận hành lớn

7.2.1 Cấu tạo của động cơ BLDC

Động cơ BLDC ba pha có cấu tạo tương tự như động cơ điện đồng bộ ba pha kích thích dùng nam châm vĩnh cửu, gồm hai bộ phận chính là stator và rotor

Stator (hình 7.11) gồm lõi thép , dây quấn và vỏ máy Lõi sắt có cấu tạo giống như máy điện xoay chiều 3 pha, trong lõi thép có dập các rãnh để đặt dây cuốn phần ứng Dây quấn phần ứng gồm các cuộn dây đặt trong các rãnh của stator được nối thành hình sao hoặc hình tam giác

Hình 7.10 : Cấu tạo động cơ BLDC

Rotor như trên hình 7.12, thực chất là nam châm vĩnh cửu, nó từ 2 đến 8 cực được phân bố xen kẻ Dựa trên yêu cầu về mật độ từ thông trên rotor, vật liệu từ thích hợp sẽ được chọn để làm rotor Người ta thường sử dụng ferrite hoặc đất hiếm để làm nam châm vĩnh cửu Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng

Có nhiều cách đặt và bố trí nam châm khác nhau lên trục của động cơ Trên hình 7.12 trình bày một vài cách thông dụng thường dùng cho BLDC

Ta thấy các phiến nam châm có thể dán ở phía trong lõi (hình 7.12b,c) hay trên bề mặt lõi (hình 7.12a) Các phiến nam châm cũng có thể có dạng chữ nhật (hình 7.12b) hay lưỡi liềm (hình 7.12a)

Hall Sensor khác với động cơ một chiều có chổi than , đổi chiều của động cơ BLDC được điều khiển bởi mạch điện tử Để quay động cơ BLDC, các cuộn dây stator phải được cấp nguồn một cách tuần tự Để thực hiện được việc đó, điều quan trọng là phải biết vị trí của của rotor để xác định được thứ tự của các cuộn dây được cấp điện Vị trí rotor sẽ được giám sát bởi cảm biến từ hiệu ứng Hall gắn trên stator Hầu hết động cơ BLDC có 3 cảm biến Hall gắn trên startor ở phần không chuyển động của động cơ

Bất cứ khi nào cực từ của rotor quay ngang qua Hall sensor sẽ tạo ra 1 tín hiệu ở mức cao hoặc thấp, cho biết vị trí của cực S hoặc N đang đi ngang qua sensor Dựa trên sự phối hợp của 3 Hall sensor này ta sẽ xác định được thời điểm cũng như cuộn dây nào sẽ được cấp năng lượng

7.2.2 Mô hình toán động cơ BLDC :

Hình 7.12 : Cấu tạo Rotor động cơ BLCD

Để mô tả toán học mô hình của động cơ BLDC ta có sơ đồ điện như trình bày trên hình 7.13

Ở đây phương trình động cơ BLDC tương tự như động cơ đồng bộ kích từ dùng nam châm vĩnh cửu, từ thông hình sin:

dt

di)ML(iReu

dt

di)ML(iReu

Sc S

Sc S c Sc

Sb S

Sb S b Sb

Sa S

Sa S a Sa

(7.8)

Công suất tiêu thụ của động cơ là:

R sc

c sb b sa

ai e i e i Me

Suy ra mômen điện từ của động cơ:

R

sc c sb b sa

ai e i e ie

(1Ω1Ω

l R

sc c sb b sa a s

p

R

Mi

eieiejdt

dZdt

)3/π2θ(Ω

)θ(Ω

R R p c

R R p b

R R p a

eee

eee

eee

Hình 7.13 Mô hình mạch động cơ BLCD

π71

6

π7θ6

π5π

)πθ(

π5θ6

π1

6

πθ6

ππ

θ6

θ

R

R R

R

R R

R

khikhikhikhi

Phương pháp điều khiển kinh điển sẽ điều khiển động cơ trực tiếp trên mô hình toạ độ stator Phương pháp này dựa trên đặc điểm suất điện động hình thang của động cơ BLDC, từ đó sẽ điều chỉnh dòng điện các pha a, b, c có dạng những hình chữ nhật, do đó sẽ có được mômen không đổi nhờ công thức:

)(

Ω

1

sc c sb b sa a R

ieieie

M   (7.14)

Nhưng cũng chính việc tạo dòng điện hình chữ nhật cũng gây không ít những hạn chế, do trong một chu kỳ có sáu lần chuyển mạch nên mômen cũng bị đập mạch theo, điều này dẫn đến một chất lượng mômen xấu và truyền động servo của động cơ BLDC cũng vì lẽ đó mà ít được dùng

7.2.3 Điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp kinh điển

1 Nguyên lý làm việc của nghịch lưu

Khác với phương pháp điều chế vector như đã biết dùng để điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, trong bài toán điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp kinh điển thì tại mỗi một thời điểm trong ba cuộn dây A, B, C chỉ có hai cuộn nối với nguồn điện còn cuộn thứ ba sẽ không nối Để phân tích việc điều khiển cũng là nguyện lý làm việc của động cơ BLDC, ta có sơ đồ bộ nghịch lưu dòng trình bày trên hình 7.15

Hình 7.14 : Đồ thị dạng sóng của các sức điện động

Bộ điều khiển dòng trên hình 7.15, là một khâu relay có trễ giúp cho giá trị dòng thực của động cơ bám với giá trị dòng đặt

bị đóng lại Khi đó dòng IA sẽ tăng lên nhờ có mạch nghịch lưu nối điện (+) vào pha A

- Khi giá trị dòng đặt nhỏ hơn giá trị dòng thực một giá trị ethì: I*AI A thì van cung cấp giá trị âm cho dòng IA sẽ được mở ra, van dương đóng lại, tức là T1đóng, T4 mở Khi đó dòng IA sẽ tăng lên nhờ có mạch nghịch lưu nối điện (+) vào pha A

Các pha B,C cũng hoàn toàn tương tự Giá trị e là do tuỳ chọn, nếu càng nhỏ thì càng nhanh vào xác lập nhưng các giá trị điều khiển cũng sẽ bị dao động nhiều hơn, vì vậy cần lựa chọn cho hợp lý Thường chọn vào cỡ 0,2 cho đến 1 A (Ampe)

Một chú ý nữa là phương pháp này coi đối tượng BLDC giống như động cơ một chiều nên chỉ sử dụng 2 pha trong một thời điểm để điều khiển động cơ Vì thế khi dòng đặt của pha nào bằng không thì pha đó sẽ bị cách ly khỏi mạch tức

là 2 van nối với pha đó đều đóng

Việc đóng mở các van để tạo nên trình tự này phụ thuộc vào vị trí hiện tại của rotor Các góc 60o là các thời điểm quan trọng và các giá trị dòng đặt sẽ thay đổi tác động lên khâu relay điều chỉnh các van PWM Sau đây là trình tự dẫn của các van transistor:

TT 1 2 3 4 5 6 T1 1 1 0 0 0 0

là phương pháp điều chế độ rộng xung Dạng của dòng điện và sức điện động được minh hoạ trên hình hình 7.16



2 3

2 Điều khiển tốc độ động cơ

Giá trị dòng điện một chiều là đại lượng đầu ra của khâu điều khiển tốc độ, khi thay đổi giá trị dòng một chiều thì đồng nghĩa với việc thay đổi tốc độ và mômen của động cơ Điều đó khiến ta liên tưởng đến động cơ một chiều Giá trị dòng một chiều được đặt cho bộ điều khiển dòng điện như đã nói ở trên để tạo ra các dòng điện 3 pha có dạng hình chữ nhật

Giá trị đo tốc độ có thể lấy được từ bộ phận encoder hoặc máy phát tốc Thường động cơ được cấp thêm cảm biến Hall để nhận biết góc quay 60o

và chuyển mạch ở khâu điều khiển dòng như đã nói ở trên

7.3 ĐỘNG CƠ BƯỚC

Động cơ bước (stepping motor) là cơ cấu chấp hành được thiết kế quay theo

góc xác định gọi là bước góc với mỗi xung điện được cấp cho stator từ bộ điều

khiển Động cơ bước được sản xuất theo tiêu chuẩn bước góc hoặc theo công suất Dải bước góc của động cơ từ 0,720

đến 900 tương ứng với 1,80, 7,50, 150, 900 Động cơ bước được dùng trong hệ thống điều khiển vị trí dạng số theo chế độ hở Các lệnh vào là dạng dãy xung làm quay trục theo góc xác định Động cơ bước có thể điều khiển cả về vị trí và tốc độ (dải tốc độ từ 0-300 vòng/phút) mà không cần mạch phản hồi vẫn đảm bảo độ chính xác vị trí Với công nghệ hiện nay, công nghiệp đã sản xuất được động cơ bước lớn nhất là 2kW

Sử dụng động cơ bước có nhiều ưu điểm, một là tương tích với hệ thống điều khiển trực tiếp bằng mạch số; hai là không cần bộ cảm biến vị trí và tốc độ mà nhận trực tiếp bằng cách đếm xung vào và đếm tuần hoàn nếu cần thông tin về tốc độ; ba là ít gây tiếng ồn và sai số tích lũy chiều dài chuyển động Động cơ bước điều khiển tín hiệu số được sử dụng khá rộng rãi trong máy điều khiển số NC, máy

in, robot, máy photocopy và các máy khác

Động cơ bước có ba kiểu: động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (Permanent Motor), động cơ bước có từ trở biến đổi VRM (Variable reluctance stepper Motor)

và động cơ bước kết hợp từ hai loại động cơ bước PM và VR gọi là động cơ bước lai (hybrid stepper Motor) Do có sự phát triễn của hệ thống điều khiển nên kiểu động cơ lai ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Sau đây trình bày nguyên lý làm việc, kết cấu và hệ điều khiển cho từng loại động cơ bước

Bước góc ứng với một xung vào phụ thuộc vào kết cấu của động cơ bước và hệ thống điều khiển được sử dụng Bước có bước góc 450 cho ta số bước ứng với một vòng quay là 3600/450 = 8 bước; bước có bước góc 1,80 cho ta số bước ứng với một vòng quay là 3600

/1,80 = 200 bước; v v… Góc tổng được quay bởi rotor bằng bước góc nhân với số bước Công thức trong trường hợp trên là;

B, rotor sẽ chuyển động theo chiều ngược lại, do đó dễ dàng hình dung phương pháp đảo chiều chuyển động rotor Để đơn giản hóa qui trình chuyển nạch điện tử trên stator, trên stator ta đặc hai cuộn dây cho một pha

7.3.2 Động cơ bước VR

Động cơ từ trử biến thiên (variable reluctance stepper motor) cũng được hình thành trên cơ sở của động cơ PM gồm stator và rotor Kết cấu stator trên từng pha của động cơ VR giống động cơ PM, gồm nhiều đoạn- stator có chung vỏ máy và rotor có chung một trục Cấu tạo các rãnh và rãnh stator-rotor được trình bày trên hình 7.17a Cở răng và số răng trên stator-rotor bằng nhau Các đoạn trên stator có dây quấn kích thích, còn rotor thì không Mạch điện đơn giản cấp điện cho stator trình bày trên hình 7.17b Tám cuộn dây stator nối đến nhóm hai cuộn dây hình thành bốn mạch điện độc lập gọi là pha Mỗi pha có nối đến một công tắc K, ở đây trình bày là công tắc cơ khí nhưng trong thực tế công tắc K là chuyển mạch điều khiển điện tử