CHƯƠNG III. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.3 Động cơ DC và phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
3.3.1 Động cơ điện một chiều
Động cơ điện 1 chiều DC (DC là chữ viết tắt của cụm từ “Direct Current Motors” trong tiếng Anh) là một loại động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng được xác định. Hay theo cách nói về bản chất thì đây chính là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp DC điện áp 1 chiều.
Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi, song máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ một chiều. Trong công nghiệp, động cơ một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng.
Động cơ DC đầu tiên được phát triển vào khoảng những năm 1830-1840. Ban đầu, chúng không thành công về mặt thương mại, bởi vì nguồn cấp năng lượng chủ yếu là pin. Mà lúc này pin thì cực kỳ đắt đỏ nhưng chất lượng thì lại thấp. Cho đến khi lưới điện được tạo ra và pin sạc được phát minh vào cuối những năm 1800. Thì động cơ 1 chiều DC mới được thương mại hoá và có mặt trên thị trường.
Một số ứng dụng mà chúng vẫn được sử dụng cho đến nay như:
Dùng trong cần cẩu
Ở các dây chuyền, băng tải
Công cụ máy móc cầm tay
Đồ chơi trẻ em
Bộ khởi động động cơ trên ô tô…
Hình 3. 2 động cơ điẹn một chiều’
Cấu tạo động cơ điện 1 chiều:
Những phần chính của máy điên một chiều gồm stato với cực từ, roto với dây quấn và cổ góp với chổi điện.
Hình 3. 3 cấu tạo động cơ một chiều
Stato
Stato là còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đút, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy và mặt trong có gắn cực từ chính và cực từ phụ. Các cực từ chính
có dây quấn kích từ. Stato động cơ điện một chiều đóng vai trò đơn giản là nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện. Dây quấn cực từ chính được đặt trên các cực
từ chính. Dây quấn cực từ phụ được đặt trên các cực từ phụ (giữa các cực từ chính).
Hình 3. 4 stato
Roto
Roto của động cơ điện 1 chiều được gọi là phần ứng do cuộn dây phần ứng đặt trên rãnh roto.
Roto gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng.
Hình 3. 5 Roto động cơ điện 1 chiều
Dây quấn rôto gọi là dây quấn phần ứng, thường làm bằng dây đồng,
có cách điện với nhau và với lõi thép. Dây quấn rôto được đặt trong các rãnh của lõi thép rôto thành 2 lớp: lớp trên và lớp dưới. Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, mỗi phần tử có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai
phiến góp. Hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên. Vì trong mỗi rãnh có hai lớp nên nếu cạnh tác dụng này của phận tử đặt ở lớp trên của một rãnh, thì cạnh tác dụng kia được xếp ở lớp dưới của một rãnh khác. Dây quấn phần ứng tạo thành các mạch nhánh gồm nhiều cạnh tác dụng của các phần tử ghép lại.
Ở động cơ điện 1 chiều có nhiều loại dây quấn như dây quấn xếp (có xếp đơn và xếp phức tạp), dây quấn sóng (có sóng đơn và sóng phức tạp), dây quấn hỗn hợp (kết hợp giữa dây quấn xếp đơn giản và sóng phức tạp). Mỗi dây quấn được tạo thanh từ nhiều cuộn mắc nối tiếp, mỗi cuộn lại được tạo nên từ nhiều vòng. Mỗi vòng gồm hai thanh dẫn nối với nhau bởi phần đầu nối.
Hình 3. 6 Dây quân xếp
+ Dây quấn xếp
Mỗi phần từ của dây quấn có nhiều vòng dây, hai đầu với hai phiến góp, hai thanh dẫn tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong rãnh dưới hai cực khác tên.
Hình bên dưới vẽ bốn phần tử dây quấn xếp hai lớp. Mỗi phần tử chỉ có một vòng, các phần tử được nối thành một vòng khép kín.
Hình 3. 7 Dây quấn xếp 4 phần tử hai lớp
Ở dây quấn xếp đơn số nhánh song song bằng số cực từ (hoặc chổi than). Dây quấn trên có hai cực từ và có hai nhanh song song, được minh họa như hình dưới.
Hình 3. 8 Dây quấn xếp hai cực từ
+ Dây quấn sóng
Hình bên dưới vẽ hai phần tử dây quấn kiểu sóng. Các phần tử được nối thành mạch vòng kín. Ở dây quấn sóng đơn chỉ có hai mạch nhánh song song, thường ở máy có công suất nhỏ.
Hình 3. 9 Dây quấn sóng động cơ một chiều
Cổ góp và chổi điện
Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đâu roto. Các đầu dây của phần tử nối với phiến góp khác nhau trên cổ góp.
Hình 3. 10 Mặt cắt cổ góp và phiến góp
Chổi điện (chổi than) làm bằng than graphit. Các chổi tì sát chặt lên
cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy.
Hình 3. 11 chổi than
Nguyên lý và phương trình điện áp động cơ điện một chiều
Cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện (dương phía trên và âm phía dưới), trong khung dây abcd có dòng điện. Khung dây abcd có điện nằm trong từ trường
sẽ chịu tác dụng của lực điện từ F (quy tắc bàn tay trái), sinh ra mômen làm quay khung dây
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, do đó phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.
Hình bên dưới mô tả nguyên lý của động cơ điện một chiều.
Hình 3. 12 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Khi rôto quay, các thanh dẫn rôto cắt từ trường sẽ cảm ứng sđđ Eư, chiều sđđ xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Ở động cơ, chiều sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện.
Phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều:
U = Eư + IưRư
Trong đó:
Rư- điện trở dây quấn phần ứng
U - điện áp cấp cho động cơ
IưRư - điện áp rơi trên dây quấn phần ứng
Eư- sức điện động phần ứng (sức phản điện)
Từ trường và sức điện động máy điện một chiều
Khi máy điện một chiều không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích
từ gây ra gọi là từ trường cực từ.
Từ trường cực từ phân bố đối xứng.
Đường trung tính hình học mn, cường độ từ cảm B=0 → thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng suất điện động Số lượng các đường sức, thanh dẫn cắt qua khi chuyển động → tốc độ biến thiên từ trường đối với thanh dẫn
Hình 3. 13 Từ trường trong máy điện một chiều
Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng sẽsinh ra từ trường phần ứng
Từ trường phần ứng được xác định theo chiều dòng điện trong các thanh dẫn (qui tắc vặn nút chai).
Chiều từ trường phần ứng trong hình vuông góc với từ trường cực từ và có hướng từ trái →phải.
Từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng. Ảnh hưởng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ
→ phản ứng phần ứng.
Phản ứng phần ứng làm cho từ trường của máy biến dạng:
- Một mỏm cực được tăng cường (ở đó từ trường phần ứng cùng chiều với
từ trường cực từ ).
- Mỏm cực từ kia, từ trường bị yếu đi (từ trường phần ứng ngược chiều với
từ trường cực từ)
Hình 3. 14 từ trường trong máy điệ một chiều
Đường trung tính dịch chuyển đến vị trí mới (trung tính vật lý) m’n’, lệch với (trung tính hình học) mn góc β
Góc lệch β thường nhỏ, với máy phát góc lệch β lấy theo chiều quay rôto,
và với động cơ điện β có chiều ngược lại.
Tại vị trí trung tính hình học, từ cảm B≠0, thanh dẫn chuyển động qua đó
sẽ cảm ứng sđđ (có chiều ngược so với lúc chỉ có từ trường cực từ), gây ảnh hưởng xấu đến việc đổi chiều dòng điện trong máy
Khi tải lớn, dòng điện phần ứng Iư lớn, từ trường phần ứng lớn, phần mỏm cực
từ trường được tăng cường bị bão hoà, từ cảm B ở đó tăng lên được rất ít, trong khi đó, mỏm cực kia từ trường giảm đi nhiều. Kết quả là từ thông φ của máy bị giảm xuống.
Từ thông φ giảm:
Máy phát điện → sđđ phần ứng Eư giảm → điện áp đầu cực máy phát
U giảm.
- Động cơ → mômen quay giảm và tốc độ động cơ thay đổi
Để khắc phục hậu quả trên, người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù. Từ trường của cực từ phụ và dây quấn bù ngược với từ trường phần ứng. Để kịp thời
khắc phục từ trường phần ứng khi tải thay đổi, dây quấn cực từ phụ và dây quấn
bù đấu nối tiếp với mạch phần ứng
Sức điện động phần ứng:
a. Sức điện động thanh dẫn
Khi quay roto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là:
tb. .
e B l v trong đó:
Btb – từ cảm trung bình dưới cực từ
v – tốc độ của thanh dẫn
l – chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn
b. Sức điện động phần ứng Eư
Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín. Các chổi điện chia dây quấn thành nhiều nhánh song song. Sức điện động phần ứng bằng tổng các sức điện động thanh dẫn trong một nhánh.
Nếu số thanh dẫn của dây quấn là N, số nhánh song song là 2a (a là số đôi nhánh),
số thanh dẫn một nhánh là N/2a, sức điện động phần ứng là:
2 2
u tb
N N
E e B lv
a a
Tốc độ dài v xác định theo tốc độ quay n (vòng/phút) bằng công thức:
60
v Dn
Ta có từ thông dưới mỗi cực từ là:
tb 2
B Dl p
Từ đó ta có được công thức liên hệ của suất điện động phần ứng:
u 60
E pN n
a
hay Eu k ne. .
Trong đó hệ số e 60
k pN
phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn phần ứng.
Sức điện động phần ứng tỉ lệ với tốc độ qua phần ứng và từ thông dưới mỗi cực từ. Muốn thay đổi trị số sức điện động ta có thể điều chỉnh tốc độ quay hoặc điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn đổi chiều sức điện động thì đổi chiều quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ.
Công suất điện từ, môment điện từ của máy điện một chiều
Công suất điện từ của máy điện một chiều là:
Pđt=Eư.Iư
Gọi •r là tốc độ góc của roto, •r được tính theo tốc độ quay n (vòng/phút) bằng biểu thức:
2
r 60
n
Ta có, Moment điện từ:
dt dt r
M P
u u dt
r
M E I
dt 2 u
M pN I
a
hay Mdt k IM u Trong đó hệ số M 2
k pN
a
phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn
Moment điện từ tỉ lệ với dòng điện phần ứng I ư và từ thông. Muốn thay đổi moment điện từ, ta phải thay đổi dòng điện phản ứng Iư hoặc thay đổi dòng điện kích từ Ikt. Muốn đổi chiều moment điện từ phải đổi chiều dòng điện phần ứng hoặc dòng điện kích từ.
Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục
Khi máy điện làm việc, quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa giữa chổi điện và cổ góp. Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quanh cổ góp, phá hỏng chổi điện và cổ góp, gây tổn hao năng lượng, ảnh hưởng xấu đến môi trường và gây nhiễu đến sự làm việc của các thiết bị điện tử. Sự phát sinh tia lửa trên cổ góp
do các nguyên nhân cơ khí và điện từ.
Nguyên nhân cơ khí
Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt, do cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đúng quy cách, rung động của chổi than do cố định không tốt hoặc lực lò xo không đủ để tì sát chổi điện vào cổ góp.
Nguyên nhân điện từ
Khi roto quay liên tiếp có phần tử chuyển mạch nhánh này sang mạch nhánh khác. Ta gọi các phần tử ấy là phần tử đổi chiều. Trong phần tử đổi chiều xuất hiện các sức điện động sau:
+ Sức điện động tự cảm eL do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều.
+ Sức điện động hỗ cảm eM do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều khác lân cận.
+ Sức điện động eq do từ trường của phần ứng gây ra.
Ở thời điểm chổi điện ngắn mạch phần tử đổi chiều, các sức điện động trên sinh ra dòng điện i chạy quẩn trong phần tử ấy, tích lũy năng lượng và phóng ra dưới dạng tia lửa khi vành góp chuyển động.
Biện pháp khắc phục tia lửa điện
Ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí ta phải tìm cách giảm trị số các sức điện động trên và dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm bù (triệt tiêu) tổng 3 sức điện động eL, eM, eq.
Từ trường của dây quấn bù và cực từ phụ phải ngược chiều với từ trường phần ứng. Đối với máy công suất nhỏ, người ta không dùng cực từ phụ mà đôi khi chuyển chổi than đến trung tính vật lý.
Để khắc phục hiện tượng tia lửa điện người ta chế tạo động cơ một chiều không chổi than (BLDC) chúng ta sẽ tìm hiểu ở chương sau, tuy nhiên việc điều khiển động cơ BLDC phức tạp hơn.
Mở máy động cơ điện 1 chiều
Ta có dòng điện phần ứng là:
u u
u
I U E R
Khi mở máy, tốc độ n = 0, sức điện động Eư = kE.n.Φ = 0, dòng điện phần ứng lúc mở máy là:
Iư mở = U/Rư
Vì điện trở Rư rất nhỏ, cho nên dòng điện phần ứng lúc mở máy rất lớn khoảng (20 ÷ 30)Iđm, làm hỏng cổ góp và chổi than. Dòng điện phần ứng lớn kéo theo dòng điện mở máy I mở lớn, làm ảnh hưởng đến lưới điện. Do đó cần giảm dòng điện mở máy để Imở = (1,5 ÷ 2)Iđm.
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều
Ta có phương trình tốc độ của động cơ là:
u u E
U R I
n k
Dựa vào phương trình, một cách tổng quát ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau:
Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng
Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giảm. Vì dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suất trên điện trở điều chỉnh lớn. Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất nhỏ.
Hình 3. 15 Điều chỉnh tốc độ động cơ dùng điện biến trở
Thay đổi điện áp U
Dùng nguồn điện một chiều điều chỉnh được điện áp cung ấp cho động cơ. Ngày nay với sự phát triển của điện tử thì phương pháp điều chỉnh điện áp bằng các mạch điều xung (PWM – Pulse Width Modulation) ngày càng đa dạng khoảng điều chỉnh tốc độ rộng, với giá thành rẻ.
Thay đổi từ thông
Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ.
Khi điều chỉnh tốc độ, ta kết hợp các phương pháp trên. Ví dụ phương pháp thay đổi từ thông, kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng, đây là ưu điểm lớn của động cơ điện một chiều.