Bài giảng Máy điện trong thiết bị tự động và điều khiển

206 trang haiha333 08/01/2022 7700

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Máy điện trong thiết bị tự động và điều khiển", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_may_dien_trong_thiet_bi_tu_dong_va_dieu_khien.pdf

Nội dung text: Bài giảng Máy điện trong thiết bị tự động và điều khiển

EE4205-MÁY ĐIỆN TRONG THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1. Khái niệm, vai trò của các loại máy điện sử dụng trong các thiết bị và hệ thống điều khiển tự động - cung cấp nguồn cho các thiết bị điện-điện tử khác - điều khiển các cơ cấu chấp hành - thực hiện các chức năng thông tin, liên lạc trong hệ thống Thiết bị điện từ Thiết bị điện tử độ bền cao không bền bằng thiết bị điện từ kích thước lớn kích thước nhỏ quán tính lớn quán tính nhỏ làm việc trong mọi điều kiện
Ví dụ: chức năng thông tin. F: máy phát tốc có điện áp phát ra tỷ lệ thuận với tốc độ Cơ cấu n F U N (tốc độ quay)     (góc quay rotor) d d  = ;U = C dt dt Tín hiệu đầu vào là góc xoay rotor . Đầu ra là 1 hàm của góc xoay rotor 
2. Phân loại -Theo nguyên lý làm việc : + Máy biến áp, + Máy điện không đồng bộ, + Máy điện đồng bộ, + Máy điện xoay chiều có vành góp - Theo chức năng : + Máy biến áp : *Máy biến áp cấp nguồn *Máy biến áp cung cấp tín hiệu + Máy điện quay: *Máy điện quay cung cấp tín hiệu *Động cơ chấp hành
3. Phương pháp học tập cho học phần:” Máy điện trong thiết bị tự động và điều khiển” - Lên lớp, nghe giảng - Làm các bài kiểm tra trên lớp - Làm báo cáo (bài tập dài) - Làm bài kiểm tra giữa kỳ - Làm bài thi cuối kỳ
CHƯƠNG I: Máy biến áp trong thiết bị tự động và điều khiển. 1.1. Những vấn đề chung 1.1.1.Các thiết bị tự động và điều khiển cần sự đa dạng về nguồn điện áp cấp: - Có nhiều cấp điện áp, dùng Máy biến áp nhiều dây quấn - Có độ thay đổi điện áp liên tục, dùng Máy biến áp tự ngẫu - Cấp điện cho hệ thống chỉnh lưu, dùng Máy biến áp chỉnh lưu - Cần có nguồn đóng cắt tần số cao dùng Máy biến áp cho nguồn đóng cắt tần số cao - Có độ thay đổi điện áp liên tục, dùng Máy điều áp cảm ứng 1.1.2. Các thiết bị tự động và điều khiển cần có tín hiệu khác nhau : - Cung cấp tín hiệu cho đo lường dùng Máy biến điện áp, Máy biến dòng điện - Cần có nguồn điện 1,2,3 pha dùng Máy biến áp biến đổi số pha - Cần có nhiều tần số khác nhau dùng Máy biến áp nhân tần - Cần có xung điện áp dùng Máy biến áp xung - Biến đổi tín hiệu góc xoay rôto thành tín hiệu điện áp ra là hàm của góc xoay dùng Máy biến áp xoay
1.2. Máy biến áp cấp nguồn 1.2.1 Máy biến áp nhiều dây quấn (Multiple Winding Transformers) MBA có 1 cuộn sơ cấp và nhiều cuộn thứ cấp gọi là MBA nhiều dây quấn. Thực tế có một số loại MBA có nhiều cuộn sơ cấp với các cấp điện áp khác nhau và 1 cuộn thứ cấp, nhưng chỉ sử dụng 1 điện áp sơ cấp thì không gọi là MBA nhiều dây quấn 1.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc Xét Máy biến áp ba dây quấn: MBA trong một số trường hợp sử dụng loại 3 dây quấn (1 dây quấn sơ cấp, 2 dây quấn thứ cấp) để nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật Máy biến áp ba dây quấn có một dây quấn sơ cấp và hai dây quấn thứ cấp để có các cấp điện khác nhau ứng với các tỷ số biến đổi k12 = U1 /U2 = N1 /N2 k13 = U1 /U3= N1 /N3
Máy biến áp 3 dây quấn - MBA 3 dây quấn so với MBA 2 dây quấn có ưu điểm: + Rẻ hơn + Mặt bằng chiếm chỗ bé hơn + Liên tục truyền tải năng lượng sang 2 dây quấn thứ cấp + Tổn hao năng lượng bé hơn chừng 2 lần -MBA 3 dây quấn so với MBA 2 dây quấn có nhược điểm: + Độ tin cậy kém hơn + Bố trí đầu ra phức tạp hơn
- Được chế tạo theo kiểu tổ máy biến áp 3 pha hoặc máy biến áp 3 pha 3 trụ, ở mỗi pha đặt 3 dây quấn - MBA 3 dây quấn có tổ nối dây tiêu chuẩn: Y0/Y0/Δ-12-11 và Y0/Δ/Δ -11-11 - 1.2.1.2 Phân phối công suất giữa các dây quấn - Theo quy định quy định về công suất chế tạo, phân bố công suất giữa các cuộn thường theo tỷ lệ : S1đm/ S1đm, S2đm/ S1đm, S3đm/ S1đm = + 100%, 100%, 100% + 100%, 100%, 67% + 100%, 67%, 100% + 100%, 67%, 67% 1.2.1.3 Ứng dụng của máy biến áp nhiều dây quấn Cấp điện cho các bộ biến đổi có sử dụng triac (triode for alternating current), linh kiện điện tử bán dẫn chuyên dụng dùng trong các bo mạch điện tử để đóng cắt điện xoay chiều cho các phụ tải
1.2.2 Máy biến áp tự ngẫu (Autotransformer) 1.2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc : chỉ có 1 dây quấn I 2 I1 I I1 2 U1 w U w1 2 2 w U 2 U 1 w1 2 Điện năng truyền: U1 w1 U = U = 1 w - trực tiếp về điện U w 2 2 2 2 w1 - cảm ứng điện từ
Ưu điểm MBA tự ngẫu (có 1 dây quấn) so với MBA thông thường (có 2 dây quấn): - Giá thành rẻ hơn vì chỉ có 1 dây quấn, và tiết kiệm lõi thép - Tổn thất công suất giảm, hiệu suất tăng so với MBA bình thường - Điện áp ngắn mạch nhỏ hơn MBA bình thường cùng công suất - Sụt áp nhỏ vì điện áp ngắn mạch nhỏ Nhược điểm MBA tự ngẫu (có 1 dây quấn) so với MBA thông thường (có 2 dây quấn): - Điện áp ngắn mạch nhỏ nên dòng điện ngắn mạch lớn - Khi vận hành với lưới điện trung tính nối đất phải nối đất để đảm bảo an toàn - Yêu cầu cách điện cao hơn bình thường - Sơ cấp và thứ cấp liên hệ trực tiếp về điện cho nên mức độ an toàn không cao, tỷ số biến áp không cao
1.2.2.2 Ứng dụng của máy biến áp tự ngẫu. - Truyền tải điện năng, liên lạc giữa các hệ thống điện có cấp điện áp khác nhau, ví dụ 110-220; 220-500; 330-750 kV - Khởi động các ĐCKĐB công suất lớn - Điều chỉnh điện áp liên tục dùng trong các phòng thí nghiệm - Làm nguồn cho các thiết bị điện sinh hoạt - Chế tạo máy ổn áp
1.2.3 Máy biến áp chỉnh lưu (Rectifier Transformers) 1.2.3.1 Máy biến áp trong hệ thống chỉnh lưu 1 pha Hình 1.2.3.1.1 MBA chỉnh lưu điển hình
Hình 1.2.3.1.2 MBA chỉnh lưu nửa chu kỳ Hình 1.2.3.1.3 MBA chỉnh lưu cả chu kỳ Nếu một máy biến áp dùng cuộn dây thứ cấp có đầu ra ở giữa, chỉnh lưu sóng toàn phần sẽ hiệu quả hơn. Cuộn dây thứ cấp có đầu ra ở giữa tạo ra hai đầu ra ngược pha nhau
Hình 1.2.3.1.4 MBA chỉnh lưu cầu
1.2.3.2 Máy biến áp trong hệ thống chỉnh lưu 3 pha Sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển đối xứng. Máy biến áp chỉnh lưu là loại 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây ∆/Y
a)Bộ chỉnh lưu nửa sóng 3 pha Ba điốt được nối với ba pha của cuộn dây thứ cấp của máy biến áp. Ba pha thứ cấp được nối sao
b) Bộ chỉnh lưu sóng toàn phần 3 pha
Sáu điốt được sử dụng. Nó cũng được gọi là chỉnh lưu nửa sóng 6 diode. Trong đó, mỗi diode dẫn điện cho 1/6 của chu kỳ AC. Các dao động điện áp DC đầu ra ít hơn trong các bộ chỉnh lưu sóng toàn phần 3 pha.
c) Chỉnh lưu cầu 3 pha được sử dụng rộng rãi vì không cần máy biến áp có đầu ra ở giữa bộ chỉnh lưu cầu. Ưu điểm: dòng điện tải Idc bằng 0,95 lần dòng cực đại chạy qua diode. Vdc xấp xỉ 2,34 lần giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều thông qua cuộn dây thứ cấp của máy biến áp trong bộ chỉnh lưu nửa sóng 3pha. Mỗi diode trong bộ chỉnh lưu cầu 3 pha chỉ mang 1/3 dòng điện chạy qua tải.
1.2.4 Máy biến áp cho nguồn đóng cắt tần số cao (Switch Mode Power Transformers-SMPT) 1.2.4.1 Cấu tạo và đặc điểm 1.2.4.2 Nguyên lý làm việc và ứng dụng SMPT có tên như vậy do cần có sự đóng cắt để duy trì hoạt động của máy biến áp. Bằng cách điều khiển thời gian đóng và thời gian cắt (mở) của các thiết bị đóng cắt, có thể điều khiển lượng điện năng cung cấp cho tải máy biến áp (hoặc mạch điện). Điện áp có thể cấp cho SMPT ở dạng xung điện áp. Thời lượng xung là một phần của thời gian chu kỳ tổng thể. Thời gian chu kỳ bằng với tần số nghịch đảo của tần số hoạt động. Chu kỳ làm việc và điều chế độ rộng xung có được khi điều khiển thời gian đóng và thời gian cắt .
Ứng dụng : SMPT được sử dụng nhiều trong các ứng dụng điện tử, thường là trong nguồn đóng cắt. Nguồn đóng cắt thường được cấp nguồn từ nguồn D.C., chẳng hạn như pin. Nguồn đóng cắt biến đổi nguồn D.C. đầu vào thành một hoặc nhiều nguồn D.C đầu ra. Nguồn đóng cắt này cũng được gọi là bộ biến đổi DC sang DC (DC-DC). Theo cách tương tự, SMPT thường được gọi là máy biến áp DC sang DC (hoặc máy biến áp DC-DC). SMPT có thể có vài cuộn dây thứ cấp. Do đó, SMPT có nhiều đầu ra được cách ly về điện. SMPT có thể tăng áp, giảm áp khi có tỷ số vòng dây thích hợp. Điều chế độ rộng xung được sử dụng để điều chỉnh điện áp .
Máy biến áp điện lực và máy biến áp nguồn đóng cắt SMPT khác với các máy biến áp khác như thế nào? Máy biến áp điện lực và cuộn cảm chủ yếu là các thiết bị A.C. (dòng điện xoay chiều). Chúng không thể có chức năng của máy biến áp khi có nguồn điện áp cố định (nguồn D.C). Tuy nhiên, chúng có thể duy trì chức năng máy biến áp trong điều kiện quá độ khi cài đặt lại hoặc đảo ngược từ thông của máy biến áp. Một nguồn điện áp A.C. duy trì đảo ngược cực tính của điện áp đặt vào máy biến áp. Do đó, từ trường bị đảo chiều. Việc đảo ngược điện áp cũng có thể được thực hiện với nguồn D.C (ví dụ là pin). Sự kết nối giữa nguồn D.C. và máy biến áp được đóng cắt liên tục, do đó đảo ngược cực tính điện áp trên máy biến áp, do đó đảo ngược từ trường. Máy biến áp cũng có thể được cắt từ nguồn D.C. Trong trường hợp này, từ trường giảm đến giá trị dư của nó (lý tưởng bằng 0). Sự sụt giảm này cài đặt lại từ trường của máy biến áp.
Máy biến áp nguồn đóng cắt SMPT, mạch ứng dụng cơ bản Thiết kế SMPT khác nhau tùy thuộc vào loại mạch được sử dụng. Có nhiều nguồn đóng cắt khác nhau, nhưng chúng có thể được thu hẹp xuống còn ba loại mạch cơ bản (mỗi loại có cấu hình được nhân đôi); Buck, Boost và Flyback. Xin lưu ý rằng tên của mạch Buck thay đổi tuỳ thuộc vào lĩnh vực công nghiệp và con người sử dụng. Nó có thể là một nghịch lưu, bộ chuyển đổi D.C., bộ chuyển đổi chuyển tiếp, cấp điện chuyển tiếp và các loại khác. Ngoài ra còn có các phiên bản đơn cực và lưỡng cực (push-pull ,đẩy-kéo).
Mạch Buck cơ bản được minh họa trong Hình 1A với một cuộn cảm và trong Hình 1B với cả SMPT và cuộn cảm. Một phiên bản kéo đẩy được hiển thị trong Hình 4. Thời gian mở transistor (switch) điều khiển năng lượng cấp cho tụ điện do đó điều chỉnh được điện áp đầu ra.
Mạch Flyback cơ bản được minh họa trong Hình 2A với một cuộn cảm và trong Hình 2B với SMPT.
Mạch tăng áp cơ bản (boost circuit) được minh họa trong Hình 3A với một cuộn cảm, Hình 3B và 3C với máy biến áp và trong Hình 5 với biến đổi chuyển tiếp kéo đẩy (push-pull forward converter) SMPT. Các mạch như trong hình 1A, 2A và mạch 3A không có SMPT, là các mạch đơn giản nhất. Chúng rất hữu ích cho việc giải thích lý thuyết vận hành.
1.2.5 Máy điều áp cảm ứng (Máy điều chỉnh cảm ứng) (Induction voltage regulator) 1.2.5.1 Tổng quan về máy điều áp cảm ứng Là máy thay đổi điện áp dựa trên nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ rôto dây quấn với roto đứng yên 1.2.5.2 Máy điều áp cảm ứng đơn
Khi máy làm việc trên roto có mômen điện từ kéo về vị trí hai dây quấn stato và roto trùng trục nên phải có bộ phận giữ không cho roto quay
1.2.5.3 Máy điều áp cảm ứng kép Gồm 2 máy cảm ứng đơn ghép lại, 2 roto được nối chặt với nhau về cơ khí
Thứ tự pha của 2 máy ngược nhau, từ trường quay ngược nhau nên góc pha E2 và E1 bao giờ cũng ngược nhau dù roto quay theo chiều nào Góc pha U2 luôn trùng với U1, momen điện từ sinh ra ở 2 máy bằng nhau và ngược chiều nên trục máy không chịu moomen nào cả
Bộ điều chỉnh cảm ứng là một thiết bị, dựa trên một động cơ cảm ứng, có thể cung cấp điện áp đầu ra biến đổi liên tục (tương tự). Trước đây, nó được sử dụng để điều khiển điện áp của mạng điện. Ngày nay, nó đã được thay thế bằng bằng máy biến áp có bộ đổi nối. Ngày nay máy này được sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm điện, quá trình điện hóa và hàn hồ quang. Với sự thay đổi mịn (tinh chỉnh) máy này có thể được sử dụng như một máy biến áp điện dịch pha có cách ly.
1.3. Máy biến áp cung cấp tín hiệu 1.3.1 Máy biến điện áp (Voltage or potential transformer) 1.3.1.1 Cấu tạo và đặc điểm - Ký hiệu TU, BU, VT, PT. - Chức năng ; biến U cao thành U thấp để đo bằng (V) dùng để cung cấp cho các dụng cụ đo lường, relay và tự động hóa. - Ví dụ 35/0,1kV, 110/0,1kV. - Công suất chế tạo khoảng 25-1000VA i1 i2 w w u2 V u1 1 2
Đặc điểm Nguyên nhân w2 < w1 U2 < U1 I1 nhỏ U1 cao I2 cao U2 thấp Chế độ làm việc: không tải Z(V) rất lớn Tránh ngắn mạch thứ cấp In 10Iđm rất lớn
1.3.1.2 Ảnh hưởng các thông số đến độ chính xác của máy Cấp chính xác của Máy biến điện áp: là sai số lớn nhất của giá trị điện áp khi CT làm việc trong điều kiện: F=50Hz U1 =0,9-1,1 U1 đm Phụ tải thứ cấp thay đổi từ 0,25 đến định mức cos = 0,8 Cấp chính xác thường được chế tạo phù hợp với mục đích sử dụng: 0,1: trong phòng thí nghiệm 0,2: đo đếm điện năng tiêu thụ (công tơ), mức chính xác cao 0,5: công tơ và đồng hồ đo đếm tiêu chuẩn. 1: chuẩn hóa dụng cụ đo trong công nghiệp 3,0: dụng cụ đo không cần độ chính xác cao 3P, 6P: rơ le bảo vệ
1.3.1.3 Ứng dụng của máy biến điện áp trong đo lường, điều khiển và bảo vệ.
Ứng dụng của Máy biến điện áp: -Đo lường -Đo đếm điện năng tiêu thụ tại các trạm biến áp -Trong bo mạch điều khiển -Trong 1 số bộ điều khiển điện áp, điều khiển động cơ, các bộ AVR cần lấy điện áp mẫu để về so sánh từ đó điều khiển điện áp theo mong muốn. Điện áp mẫu không thể đưa trực tiếp vào bộ AD hoặc bộ vi xử lý nên phải qua Máy biến điện áp.
1.3.2 Máy biến dòng điện 4 1.3.2.1 Cấu tạo và đặc điểm - Ký hiệu TI, BI, CT - Chức năng: biến I cao thành I thấp để đo bằng (A), thường là 5A, 1A Ví dụ: 50/5A, 1000A/5A - Công suất chế tạo khoảng 5-100VA - Cấp chính xác : 0,2%; 0,5%; 1%; 3%; 10% I w 2 = 1 I1 w 2
i2 i1 A w1 w2 Đặc điểm Nguyên nhân w2 > w1 I1 cao; I2 thấp Chế độ làm việc: ngắn Z(A) rất nhỏ mạch Tránh hở mạch thứ cấp max rất lớn làm nóng MBA
Máy biến dòng : - Dây quấn sơ cấp quấn ít vòng, thường chỉ 1 vòng - Dây quấn sơ cấp có tiết diện lớn do phải làm việc gần như ngắn mạch - Dây quấn thứ cấp có tiết diện nhỏ và nhiều vòng - Tránh hở thứ cấp vì khi đó điện áp thứ cấp rất lớn có thể làm hư hỏng lớp cách điện
Nguyên lý hoạt động máy biến dòng - CT Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, thông qua mạch từ lõi thép biến đổi dòng điện lớn phía cao áp sang dòng điện nhỏ cung cấp cho các phụ tải thứ cấp. Tổng trở mạch ngoài của CT rất bé nên có thể xem CT luôn làm việc trong trạng thái ngắn mạch.
Ứng dụng của Máy biến dòng : - Đo lường - Đo đếm điện năng tiêu thụ tại các trạm biến áp - Trong điều khiển. Trong các tủ điện điều khiển bù công suất phản kháng, cần lấy tín hiệu dòng điện đưa về bộ điều khiển Trong 1 số bộ điều khiển, biến tần Máy biến dòng như cảm biến dòng điện. Dòng điện mẫu không thể đưa trực tiếp vào bộ AD hoặc bộ vi xử lý nên phải qua Máy biến dòng.
1.3.2.2 Ảnh hưởng các thông số đến độ chính xác của máy Cấp chính xác của biến dòng đo lường -Biến dòng đo lường cho phép sai số nhỏ, với phạm vi hoạt động của tải thứ cấp (0,05÷1,2)x Iđịnh mức. -Giới hạn sai số với biến dòng đo lường: 0.1, 0.2, 0.5, 1 và 3. Trong đó: Cấp chính xác 0.1- Biến dòng dùng cho phòng thí nghiệm Cấp chính xác 0.2 – Biến dòng dùng cho phòng thí nghiệm, biến dòng mẫu, công tơ đo đếm điện năng Cấp chính xác 0.5 – Dùng cho công tơ và đồng hồ đo đếm tiêu chuẩn. Cấp chính xác1 – Chuẩn hóa dụng cụ đo trong công nghiệp. Cấp chính xác 3; 5 – Dụng cụ đo không cần độ chính xác cao Cấp chính xác 5P; 10P - Rơ le bảo vệ
1.3.2.3 Ứng dụng của máy biến dòng điện trong đo lường, điều kiển và bảo vệ - Mở rộng phạm vi của các dụng cụ đo như ampe kế, đồng hồ đo năng lượng (công tơ), đồng hồ đo công suất toàn phần KVA, oát kế, v.v. - Hệ thống bảo vệ dòng điện tuần hoàn vi sai - Bảo vệ khoảng cách trong hệ thống truyền tải điện. - Bảo vệ sự cố quá dòng
1.3.3 Máy biến áp biến đổi số pha 1.3.3.1 Cấu tạo và đặc điểm
1.3.3.2 Nguyên lý làm việc của máy biến áp biến đổi pha
1.3.3.3 Ứng dụng của máy biến áp biến đổi pha Máy biến áp biến đổi 3 pha sang 2 pha (MBA Scott) để cấp điện cho động cơ 2 pha. ĐC 2 pha có thể đấu nối điện trở vào 1 pha để dùng điện 1 pha, tuy nhiên việc này làm cho mômen mở máy thấp
1.3.4 Máy biến áp nhân tần 1.3.4.1.Máy biến áp nhân 3 tần số - Dùng tổ máy biến áp 3 pha, dây quấn sơ cấp đấu Y và nối với lưới 3 pha có tần số f1   
Dòng điện từ hoá máy biến áp 3 pha bậc 3 i 03A = I 03m sin 3t 0 i 03B = I 03m sin 3(t – 120 ) = I 03m sin 3t 0 i 03C = I 03m sin 3(t – 240 ) = I 03m sin 3t có trị số bằng nhau và trùng pha nhau ở mọi thời điểm. Sơ cấp nối Y → i03 = 0 → i0 hình sin →  do i0 sinh ra có dạng vạt đầu (theo lý thuyết KTĐ)  = 1 + 3 + (5, 7, nhỏ nên bỏ qua) e = e1 + e3 + 3 với tần số f3 = 3f1 có giá trị lớn. Sức điện động cảm ứng trong dây quấn thứ cấp MBA với tần số f3= 3f1 trùng pha nhau. Dây quấn ra gồm 3 dây quấn thứ cấp mắc thuận thì đầu ra có sức điện động 3E3 có tần số 3f1, còn sức điện động E1 tần số cơ bản ở đầu ra không xuất hiện vì tổng sức điện động đó trong hệ đối xứng 3 pha bằng không.
1.3.4.2.Máy biến áp nhân đôi tần số
- Dùng MBA có mạch từ phân nhánh ở dạng 2 mạch từ độc lập α và β. Dây quấn sơ cấp 1 được cấp điện từ lưới điện có tần số f1 ôm lấy cả 2 mạch từ. Dây quấn thứ cấp 2 cảm ứng sức điện động có tần số f2 = 2f1 được hình thành từ 2 phần có số vòng dây w2 đặt trên 2 mạch từ khác nhau và mắc ngược nhau. Từ thông mắc vòng của dây quấn thứ cấp tỷ lệ với α - β. Khi từ thông tổng α + β biến thiên với tần số f1 nếu từ hóa các mạch từ α và β theo 2 chiều ngược nhau nhờ dây quấn 0 cấp bởi dòng 1 chiều I0 và tạo nên sức từ động F0 = w1I0 trong mỗi mạch từ thì α - β sẽ biến thiên với tần số f2= 2f1
1.3.5 Máy biến áp xung 1.3.5.1 Cấu tạo và đặc điểm Cấu tạo Cấu tạo một máy biến áp hình xuyến được hiển thị dưới đây. Mục tiêu chính của máy biến áp này là tạo ra xung cho các thiết bị bán dẫn cũng như cách ly điện Máy biến áp có dạng hình xuyến. Nó bao gồm hai cuộn dây là sơ cấp và thứ cấp. Mỗi cuộn dây bao gồm một số vòng dây bằng nhau, vì vậy bất kỳ cuộn dây nào cũng có thể đóng vai trò là sơ cấp hoặc thứ cấp. Xung đến SCR (Silicon-Controlled Rectifier, chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển) (Thyristors) có thể được cung cấp thông qua biến áp xung 1: 1 nếu không thì 1: 1: 1 và xung tới SCR liên tục có thể được cung cấp thông qua máy biến áp 3 cuộn dây.
1.3.5.2 Nguyên lý làm việc của máy biến áp xung Máy biến áp xung là gì? Máy biến áp xung là loại biến áp hoạt động ở tần số cao khoảng vài chục KHz như biến áp ở trong các bộ nguồn xung, biến áp cao áp Phần lõi của biến áp xung được làm bằng ferit. Do hoạt động ở tần số cao nên công suất của biến áp xung rất mạnh. Nếu so với các loại biến áp nguồn thông thường có trọng lượng tương đương thì biến áp xung có thể cho công suất mạnh hơn gấp hàng chục lần. Biến áp xung có công dụng biến đổi điện áp xung hay cường độ xung với số vòng dây ít. Đối với biến áp thường, phần lõi sẽ được làm bằng thép silic nhưng phần lõi của biến áp xung lại được chế tạo bằng ferit hay hợp kim pemeloïd. Trong thực tế, các biến áp bên trong sạc điện thoại và máy tính hiện nay đều dùng biến áp xung nhưng nó có thêm một bộ băm xung ở tần số cao. Nếu sử dụng xoay chiều thì có thể dùng triac băm xoay chiều, còn nếu dùng một chiều thì đưa về một chiều rồi băm. Trong trường hợp này có thể dùng vi điều khiển hoặc mạch xung số.
Máy biến áp xung là máy biến áp được tối ưu hóa để truyền các xung điện hình chữ nhật (nghĩa là các xung có thời gian tăng và giảm nhanh và biên độ tương đối không đổi). MBA công suất nhỏ là MBA tín hiệu được sử dụng trong các mạch viễn thông và logic kỹ thuật số, thường để kết hợp các trình điều khiển logic với các đường truyền. MBA công suất trung bình được sử dụng trong các mạch điều khiển công suất như bộ điều khiển đèn flash trong máy ảnh. MBA công suất lớn hơn được sử dụng trong công nghiệp phân phối điện để giao tiếp mạch điều khiển điện áp thấp với các cổng điện áp cao của chất bán dẫn điện. Máy biến áp xung điện áp cao đặc biệt cũng được sử dụng để tạo ra các xung công suất cao cho radar, máy gia tốc hạt hoặc các ứng dụng xung năng lượng cao khác.
1.3.5.3 Ứng dụng của máy biến áp xung -Máy biến áp tín hiệu được sử dụng trong viễn thông, mạch kỹ thuật số -Máy biến áp xung được sử dụng để cách ly mạch điện khỏi mạch điều khiển. -Máy biến áp xung điện áp cao được sử dụng trong các ứng dụng radar và các ứng dụng năng lượng xung. +Điện tử công suất +Radar +Điện tử kỹ thuật số +Truyền thông
Phân loại: 1. Biến áp xung cấp điện Các máy biến áp này thay đổi điện áp từ mức năng lượng này (cấu hình một mức / pha) sang mức khác. Các cấu hình của các máy biến áp này có thể là 1 pha hoặc 3 pha và thay đổi theo cách đấu nối các cuộn dây 2. Biến áp xung tín hiệu Các máy biến áp này là một loại máy biến áp xung, sử dụng cảm ứng điện từ để truyền thông tin từ một mạch này đến một mạch khác. Chúng thường được sử dụng để tăng hoặc giảm điện áp trong một máy biến áp điện từ bên này sang bên kia. Bằng cách sử dụng máy biến áp tín hiệu, tỷ số vòng dây quyết định sự thay đổi trong điện áp. Thông số kỹ thuật Các máy biến áp này chủ yếu bao gồm các thông số kỹ thuật như tốc độ lặp lại, chu kỳ làm việc, độ rộng xung, phạm vi, điện áp I / O, dòng điện, tần số & kích thước vật lý như chiều dài (L), chiều rộng (W) và chiều cao (H).
+Ưu điểm của biến áp xung -Kích thước nhỏ -Ít chi phí -Hoạt động ở tần số cao -Điện áp cách ly cao +Nhược điểm của biến áp xung -Ở tần số thấp, cả hai dạng sóng sơ cấp và thứ cấp đều khác nhau. -Dòng bão hòa của lõi có thể giảm do dòng MC chạy qua cuộn sơ cấp.
1.3.6 Máy biến áp xoay Khái niệm chung -MBA xoay (BAX) là các MĐKĐB kiểu rôto dây quấn làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu góc xoay rôto thành tín hiệu điện áp ra là hàm của góc xoay. BAX dùng trong hệ thống tự động để thực hiện các phép tính lượng giác, biến đổi tọa độ, phân tích hoặc tổng hợp vectơ dùng trong kỹ thuật máy tính hoặc rađa U = f(α) có thể là một hàm lượng giác (sinα, cosα), tuyến tính, pitago - Cấu tạo: giống ĐCKĐB 2 pha + Stato: lõi sắt kĩ thuật điện và 2 Ukt KT dây quấn lệch pha nhau 900 điện: dây quấn kích thích KT và dây quấn bù B. C S + Roto: lõi sắt kĩ thuật điện và 2 dây quấn B lệch pha nhau 900 điện: dây quấn cos CC và dây quấn sin SS. S C
Z Z = Z = stato KT B 2 Z t Z = Z = roto CC SS 2 Nmax Nmin Các dây quấn này thiết kế có dạng dây quấn hình sin để đảm bảo từ thông  trong khe hở không khí và sđđ cảm ứng phải là hình sin. Ở dây quấn thông thường các bối dây của các loại dây quấn (KT, B) đặt trong cùng một rãnh thì số vòng dây là như nhau. Nhưng dây quấn hình sin số vòng dây trong một rãnh là hàm hình sin của vị trí trong không gian trong khe hở. Ở bên trong một rãnh của dây quấn hình sin thì: Ni = Nmax.sinα α: là góc của rãnh trong từ trường ở khe hở
Máy biến áp xoay sin: KT Udk Đặt U~ ,f vào cuộn KT sinh ra Φkt cảm ứng sđđ Eso (khi không tải) ở dây quấn SS, Eso vị trí góc giữa trục dây quấn KT và trục cuộn SS S Zs Eso = Esm sinα; Esm = 4,44fW1kdq1Φkt Is S W W E U roto = 2 =1 = s = s Wstato W1 Ekt Ukt Eso = kUktsinα với Ukt =const Khi nối cuộn SS với tải có dòng Is sinh ra stđ FS, S và cảm ứng sđđ Es ≈ Us kUkt sin Es = 2 1+ As cos
As: hệ số tính toán phụ thuộc vào kết cấu của máy. Khi không tải Eso là hàm hình sin(α). Khi có tải Es ≠ Eso , gây sai số Nếu dùng cuộn CC ta cũng nhận được kết quả tương tự Máy biến xoay sin-cos Đặt U ,f vào cuộn KT,  cảm ứng ~ kt KT sđđ bên cuộn SS, CC. Do cuộn U dk Ф SS, CC lệch pha góc 900 điện kt trong không gian nên trong cuộn SS: E = kU sinα so kt C Фsq S Z trong cuộn CC: Eco = kUktcosα Zc Фcq α s Khi các cuộn SS, CC nối với tải Z , Z s c Фcq Фsq I Ic s kU kt cos S C Ec = 2 1+ Ac sin
1.3.7 Máy biến áp tổng hợp
CHƯƠNG 2: Máy điện quay trong thiết bị tự động và điều khiển. 2.1. Những vấn đề chung 2.1.1 Đặc điểm của các loại máy điện quay dùng trong thiết bị tự động và điều khiển - Máy điện quay cung cấp tín hiệu cho hệ thống điều khiển: + Cần có độ chính xác cao về tín hiệu điều khiển + Đặc tính ra ổn định + Độ tin cậy cao - Động cơ chấp hành: + Tác động nhanh: mômen quán tính rôto nhỏ, hằng số thời gian cơ điện nhỏ + Công suất điều khiển nhỏ + Làm việc tin cậy, kích thước trọng lượng nhỏ
2.1.2. Một số loại máy điện quay thông dụng sử dụng trong các thiết bị tự động và điều khiển. - Máy điện quay cung cấp tín hiệu cho hệ thống điều khiển: +Máy phát tốc +Hệ tự đồng bộ 3 pha (Selsyn 3 pha) +Hệ tự đồng bộ 1 pha (Selsyn 1 pha) +Máy điện khuyếch đại từ trường ngang +Máy điện không đồng bộ dùng biến đổi tần số +Máy biến đổi một phần ứng - Động cơ chấp hành: +Động cơ secvo +Động cơ bước +Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) +Động cơ VS +Động cơ phản kháng +Động cơ từ trễ +Động cơ tuyến tính +Động cơ từ trở
2.2. Máy điện quay cung cấp tín hiệu cho hệ thống điều khiển 2.2.1 Máy phát tốc (Tachometer) - Máy phát tốc làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu cơ dưới dạng tốc độ thành tín hiệu điện dưới dạng điện áp -Thường làm nhiệm vụ đo tốc độ n và phản hồi trong hệ thống điều khiển - Yêu cầu: U + Đặc tính ra U = C.n là tuyến tính U + Độ dốc lớn → nâng cao tính U n chính xác + Làm việc tin cậy, cấu tạo đơn giản, kích thước trọng lượng nhỏ, mômen U quán tính nhỏ n - Sai số nhỏ n
2.2.1.1 Máy phát tốc đồng bộ Máy phát tốc đồng bộ có cấu tạo như MFĐĐB một pha công suất nhỏ với rôto là nam châm vĩnh cửu. Sđđ cảm ứng trong dây quấn stato pn U E = 4,44fwF  = 4,44 w  → U = Cn, trong đó ra F kt 60 F kt ra C - hằng số tỷ lệ, f - tần số của sđđ phát ra, wF – số vòng dây của cuộn dây stato, kt của nam châm vĩnh cửu
2.2.1.2 Máy phát tốc không đồng bộ 2.2.1.2.1 Cấu tạo : giống ĐC chấp hành không đồng bộ - Stato: lõi thép và hai dây quấn đặt lệch nhau trong không gian góc 900 + Dây quấn kích thích KT: Ukt = const + Dây quấn phát tốc FT Số rãnh hai dây quấn này là tương đương nhau (số vòng dây có thể khác nhau) - Rôto: + Rôto lồng sóc nhưng mômen quán tính lớn, ảnh hưởng đến cơ cấu cần đo. + Rôto rỗng không dẫn từ để giảm mômen quán tính: 2.2.1.2.2. Nguyên lý Khi rôto đứng yên (n = 0), đặt điện áp xoay chiều Ukt vào cuộn kích thích KT → sinh ra kt biến thiên với tần số f (giống động cơ đồng bộ 1 pha). kt này xuyên qua thanh dẫn rôto và cảm ứng sđđ Eba (gọi là sđđ biến áp vì giống như trong MBA) tỉ lệ với  và số vòng dây wt: Eba = f. .wt
d d Ukt KT kt Iq, Eq +  q ba ’  FT Ed + q q + FT Ura U d’ F n Zt n = 0 n ≠ 0 Thanh dẫn rôto nối khép kín, nên trong rôto có dòng Iba → sinh ra ba ngược chiều với kt (ba chống lại từ thông kt). ’ Theo phương dọc trục dd tại khe hở không khí có d = kt + ba không phụ thuộc vào tốc độ rôto và d = const. Cuộn phát FT không cảm ứng sđđ vì có trục lệch pha 900 so với trục dd’ là trục qq’. Điện áp cuộn phát UF = 0 khi n = 0
Khi rôto quay (n ≠ 0), (được nối với động cơ khác cần đo), các thanh dẫn rôto cắt đường sức từ thông kt = d (theo hướng dd’) nên cảm ứng sđđ Eq = Blv = Cedn = C1n như trong MĐMC. Dòng điện trong rôto Iq = Eq/Zrôto = C2n sinh ra từ thông q = C3n và cảm ứng sđđ Ed bên cuộn phát FT. Điện áp đầu ra Ura Ed = 4,44fwFTkdqFTq = C4n. C1, C2, C3, C4 – các hằng số tỷ lệ. Khi cuộn phát FT được nối với tải (thường là cuộn dây vôn kế, Ura Lý thuyết mạch điện áp các rơle ), có thể Thực tế coi Z = . Ura t Sai số Khi đó Ura = Ed = C4n, điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với tốc độ. Trên thực tế Z , và phụ thuộc t n vào tính chất của tải R, L, C, mạch từ có thể bão hòa q không tỷ lệ tuyến tính với Iq gây nên sai số
2.2.1.2.3. Sai số a) Do công nghệ chế tạo: - Nguyên nhân + Yêu cầu cuộn KT và FT lệch nhau góc θ = 900, nhưng thực tế θ ≠ 900. Do đó khi rôto chưa quay n = 0 vẫn có sđđ cảm ứng ở cuộn phát FT là Era0. + Khe hở không khí không đều tạo nên từ trường elíp → cảm ứng sđđ Era0 -Cách khắc phục: + Mắc sơ đồ cầu dây quấn KT và FT với R và C. Điều chỉnh R và C để có Era0 = 0. + Chế tạo đặt cuộn KT ở stato ngoài, cuộn FT ở stato trong. Khi lắp ráp giữ stato ngoài cố định, xoay stato trong cho đến khi Era0 = 0 thì cố định
R C Stato ngoài KT FT Rôto rỗng FT KT UF Stato trong Ukt b) Do phản ứng phần ứng ở rôto q ngoài việc cảm ứng sđđ ở cuộn FT còn cảm ứng sđđ Ed’ ở dây quấn rôto, Ed’ tạo ra Id’, Id’ tạo ra d’ cùng phương ngược chiều với d. Ở khe hở không khí bây giờ d = kt + ba + d’ ≠ const và  → Ura gây sai số c) Do Zt ở mạch FT ≠ IFT ≠ 0 → Ura ≠ C4n. Ura = Era - U ( U do IFT sinh ra). Tùy theo trị số của IFT (Zt) và tính chất của tải R, L, C mà U khác nhau, dẫn đến sai số. Trong thực tế, máy phát tốc không đồng bộ có độ chính xác cao thường làm việc với tần số điện áp nguồn cấp cao 500, 1000Hz
2.2.1.3 Máy phát tốc một chiều 2.2.1.3.1. Cấu tạo -Giống động cơ chấp hành một chiều loại rôto rỗng hoặc rôto hình đĩa mạch in, kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hoặc kích thích độc lập Ura Ura Iư Iư  Ukt kt 2.2.1.3.2 . Nguyên lý làm việc: các thanh dẫn phần ứng chuyển động trong từ trường cảm ứng sđđ Ura = E = Cent ; t = const → Ura = Cn. Đặc tính ra cũng giống như máy phát tốc KĐB. Cũng có sai số giữa lý thuyết và thực tế
2.2.1.3.3 . Sai số a) Do phản ứng phần ứng Khi có tải Zt , Iư IF ≠ 0 → tạo nên ư Mặt khác ư ⊥ kt làm méo từ trường → kt → Ura = Era - U ≠ Cn. b) Do công nghệ chế tạo Chổi than không đúng vị trí ⊥ kt nên khi máy quay theo hai chiều khác nhau cho Ura = Era ≠ Cn c) Do điện áp rơi U trên chổi than → Ura ≠ Era ≠ Cn. Khắc phục: tăng Zt để IF là nhỏ nhất, làm chổi than bằng các vật liệu dẫn điện tốt như vàng, bạc.
d) Do nhiệt độ Khi làm việc máy nóng lên làm cho R  → I  →    ’ kt kt kt t Cực → Era  dẫn đến sai số. từ s Khắc phục: mắc sun từ (có đặc Mạch điểm là nhiệt độ tăng thì từ trở từ bù Phần cũng tăng) giữa các cực từ chính. (sun t ứng Bình thường kt’ = kt + s. từ) 0 Khi t  → Rkt → kt’, nhưng do s nên kt = kt’ - s = const
2.2.2 Hệ tự đồng bộ 3 pha (Selsyn 3 pha) (3 phase Selsyn) Trong hệ thống điều khiển và điều chỉnh tự động cần có sự truyền đạt đồng bộ từ xa những chuyển động góc của các cơ cấu không có liên hệ về cơ khí với nhau và chỉ nối với nhau bằng điện. Khi một trong những máy đó quay đi một góc (gọi là máy phát) thì những máy khác (máy thu) cũng quay một góc như vậy. Nhiệm vụ này được thực hiện bằng hệ thống liên lạc đồng bộ gồm các máy điện làm việc trên nguyên tắc MĐKĐB gọi là các Selsyn (xenxin). Khi cần công suất truyền đạt lớn thì dùng MĐKĐB 3 pha rôto dây quấn. 2.2.2.1. Cấu tạo của hệ thống Hệ tự đồng bộ ba pha đơn giản nhất là gồm hai máy điện không đồng bộ rôto dây quấn. Dây quấn stato của chúng được nối với lưới điện còn dây quấn rôto được nối với nhau theo đúng thứ tự pha. Như vậy nếu ở hai máy vị trí của rôto đối với stato giống nhau thì sđđ E2 trong mạch rôto của chúng sẽ ngược nhau và dòng điện I2 sẽ bằng 0.
2.2.2.2. Nguyên lý làm việc của selsyn ba pha Gọi F là máy phát tín hiệu và T là máy thu tín hiệu thì khi có tín hiệu tác động vào máy phát F làm quay roto của nó đi 1 góc thì các Sđđ E2F và E2T sẽ có góc lệch và do đó trong mạch rôto sẽ có dòng điện I2. (+) khi rôto F quay cùng chiều với ƯF ( E2T vượt trước E2F ) (–) Khi rô to F quay ngược chiều với ƯF Trong đó : Z2F và Z2T : tổng trở rôto của máy phát (F) và máy thu (T) Đồ thị vectơ cho thấy thành phần tác dụng của I2 cùng chiều với E2T do đó MT sẽ làm quay rôto của máy T đi 1 góc. Trái lại thành phần tác dụng của I2 ngược chiều với E2F nên sẽ có mômen MF kéo rôto của máy F trở về vị trí = 0.
Hoặc có thể giải thích như sau: 0 góc ψ2F 180 , cos ψ2 0 → MT > 0 (M quay) : kéo rôto của máy T đi 1 góc . Hệ thống hai máy trên sẽ làm việc cân bằng khi góc lệch ở hai máy F và T bằng nhau. Vì vậy khi giữ roto của máy F ở một góc thì roto của máy T cũng sẽ quay một góc đúng bằng. Sự liên lạc như thế còn gọi là sự liên lạc kiểu trục điện.
2.2.3 Hệ tự đồng bộ 1 pha (Selsyn 1 pha) Hệ thống gồm xenxin phát (XF) và xenxin thu (XT) là các MĐKĐB 1 pha. Nối giữa chúng là các đường dây liên lạc. Chủ yếu trong hệ thống điều khiển rađa là các xenxin một pha. 2.2.3.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của Selsyn một pha -Cấu tạo xenxin một pha giống MĐKĐB rô to dây quấn gồm có 2 phần: + Stato: lõi sắt từ , trên đó đặt dây quấn 3 tia KT U (giống dây quấn 3 pha, nghĩa là đặt lệch nhau t (Rôto) trong không gian 1200 điện). Dây quấn này được gọi là dây quấn đồng bộ (ĐB) + Rôto: có lõi thép dạng cực từ và dây quấn kích ĐB thích (KT) kiểu tập trung. Để nối điện với rôto (Stato) phải dùng 2 vành trượt và 2 chổi than. Xenxin có thể làm việc ở 2 chế độ: + Chế độ chỉ thị góc xoay trực tiếp + Chế độ biến áp: chỉ thị góc xoay gián tiếp qua các cơ cấu khác
2.2.3.2. Selsyn một pha ở chế độ chỉ thị a) Sơ đồ nối dây U~ KT Đường KT dây liên lạc 1 1 ĐBF ĐBT 3 2 3 2 XF XT
b) Nguyên lý làm việc Trục của từ trường kích thích trùng với trục của dây quấn tia 1. Đặt điện áp xoay chiều Ut vào các cuộn kích thích của XF và XT → tạo nên từ trường đập mạch đm với tần số f. đm cảm ứng ra các sđđ biến áp (hiện tượng giống như ở MBA) ở các tia của dây quấn đồng bộ XF và XT. Sđđ thứ cấp ở cuộn đồng bộ trùng pha về thời gian và trị số phụ thuộc vào góc lệch của tia dây quấn với trục từ trường kích thích Ở XF: Ở XT: E = E cosθ F1 Fm F ET1 = ETm cosθT E = E cos(θ – 1200) 0 F2 Fm F ET2 = ETm cos(θT – 120 ) E = E cos(θ – 2400) 0 F3 Fm F ET3 = ETm cos(θT – 240 ) EFm = 4,44.f.Wđb.kdqĐB.kt θF, θT là góc lệch giữa trục cuộn KT và cuộn dây tia 1 Trong hình vẽ trên θF = θT = 0 → EFi = ETi (i = 1, 2, 3)
Xoay rôto của XF đi một góc θF và giữ chặt rôto tại vị trí này, do θF ≠ θT nên EFi ≠ ETi. Nghĩa là tại điểm 1-1; 2-2; 3-3 mất cân bằng điện thế và có Ei = |EFi – ETi| → xuất hiện dòng cân bằng E I = i cbi (trong đó ZĐB – tổng trở một tia dây quấn đồng bộ). 2ZĐB Icb tương tác với từ thông kích thích kt tạo nên mômen điện từ. Ở XF mômen có xu hướng kéo rôto về vị trí ban đầu θF → 0. Ở XT mômen kéo xoay rôto sao cho θT tiến tới θF . Vì rôto của XF cố định nên rôto của XT xoay đi một góc bằng góc quay rôto của XF. Như vậy chuyển dịch góc đã truyền được một đi một khoảng cách xa từ XF đến XT. Thực tế thì θF ≠ θT, tức là có sai số. Nguyên nhân: - Có thể một XF làm việc với nhiều XT - Ma sát trên trục của XT - Do công nghệ chế tạo nên mạch từ hoặc mạch điện không đối xứng - Do rôto không cân bằng. Dựa vào góc sai số phân ra cấp chính xác xenxin: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3; 5.
2.2.3.3. Selsyn một pha ở chế độ máy biến áp Mômen cản trên trục XT quá lớn thì dùng biến áp gián tiếp xoay rôto để thắng mômen cản này. Khi đó dùng xenxin ở chế độ biến áp a) Sơ đồ nối dây U~ Era KĐ KT Ra Uđk FTd FT ĐK  1 FTq ĐBF 1 ĐBT KTĐCCH Nối 3 2 3 2 U trục kt ĐCCH XF XT
b) Nguyên lý làm việc Cuộn KT ở XT gọi là cuộn Ra. Đặt U~ vào cuộn kích thích KT của XF → cảm ứng ra các sđđ ở các tia. Vì hai cuộn ĐB của XF và XT nối với nhau, mà ở XT không EFi có sđđ nên xuất hiện dòng điện Icbi = chạy từ XF đến XT. 2ZĐB Dòng điện này chạy trong cuộn đồng bộ của XT tạo nên stđ tổng FT Icb. Phân tích FT theo hai trục d và q với trục d trùng với trục của cuộn KT (Ra) của XT: FT = FTd + FTq; FTd = FT.cos FTd tạo Td biến thiên với tần số f móc vòng với dây quấn Ra, Td coi như từ thông sơ cấp của biến áp tạo nên sđđ Era ở cuộn phát Ra: Era = 4,44.f.WKT.kdqKT.Td → Era ≡ Td → Era ≡ T.cos;
Sđđ Era được khuyếch đại qua bộ KĐ đưa vào cuộn điều khiển ĐK của động cơ chấp hành làm rôto của ĐCCH này xoay. ĐCCH được nối cùng trục với với rôto của XT nên rôto của XT cũng xoay và xoay cho 0 đến khi Era = 0 → cos = 0 →  = 90 . Xoay rôto XF một góc θF → EFi thay đổi → T thay đổi →  thay đổi 0 → Era thay đổi → động cơ chấp hành xoay θF = θT + 90 . Vậy hệ thống XF, XT vẫn làm nhiệm vụ chuyển góc đi một khoảng cách xa nhưng phải dùng cơ cấu trung gian để tạo nên mômen xoay lớn. 0 Thực tế θF ≠ θT + 90 do có sai số. 2.2.3.4. Selsyn không tiếp xúc Nhược điểm của xenxin tiếp xúc là độ tin cậy thấp. Xenxin không tiếp xúc làm việc dựa trên nguyên lý hiện tượng cảm ứng điện từ như xenxin thông thường. Nghĩa là tạo ra hiện tượng điện từ ở các cuộn dây ĐB giống ở xenxin thường: sđđ luôn luôn phụ thuộc vào vị trí của rôto
8 3 Khe hở không khí 2 1 A 7 6 4 5 1.Gông từ (thép KTĐ) hình xuyến ở 2 đầu 2.Mạch từ hình chữ I (thép KTĐ) (thanh thép) 3.Dây quấn kích thích hình xuyến 4.Dây quấn đồng bộ trong rãnh lõi sắt từ 5 5.Lõi sắt từ (thép KTĐ) của dây quấn đồng bộ 6.Phần vật liệu không dẫn từ (nhôm hoặc hợp kim nhôm) 7.Phần lõi sắt từ ở rôto có hai cực chia cắt với nhau bởi phần vật liệu không dẫn từ 6 8.Vỏ và nắp
Stato: trên lõi thép đặt dây quấn đồng bộ ĐB 3 tia. Hai đầu máy có 2 mạch từ hình xuyến, bên cạnh mạch từ hình xuyến có 2 cuộn dây kích thích quấn tập trung hình ống. Rôto: là một lõi sắt từ không liên tục, các tệp lá thép được ngăn cách bằng vật liệu không dẫn từ Cho điện áp vào dây kích thích. Giả sử chiều dòng điện như hình vẽ thì tạo nên kt, xuất phát từ A đi qua mạch từ hình xuyến 1 → đến mạch từ hình chữ I 2 → đi qua mạch từ hình xuyến 1 và đi vào rôto 7 → đi sang lõi sắt 5 → đi vòng quanh lõi sắt 5 và quay về A để khép mạch. Từ thông xoay chiều kt do cuộn kích thích tạo ra đã móc vòng với cuộn dây phần ứng. Vậy kt móc vòng với dây quấn ĐB phụ thuộc vào vị trí của rôto → nguyên lý làm việc của máy này giống như nguyên lý làm việc của các xenxin khác. + Ưu điểm: không có tiếp xúc → độ tin cậy cao + Nhược điểm: vì kt đi qua 4 lần khe hở (gấp đôi máy bình thường) → gấp đôi từ trở → cuộn dây kích từ phải lớn (I phải lớn) → kích thước của xenxin không tiếp xúc lớn. Chế tạo phức tạp, giá thành cao
2.2.4 Máy điện khuyếch đại từ trường ngang Để khống chế một đối tượng nào đó, tín hiệu có thể dẫn trực tiếp đến đối tượng điều khiển không cần qua hệ thống khuếch đại. Cũng có thể tín hiệu được qua bộ phận trung gian khuếch đại lên đưa đến đối tượng điều khiển. Máy khuếch đại điện từ hay máy khuếch đại (MKĐ) là một trong các thiết bị trung gian nhận tín hiệu đưa đến đối tượng điều khiển nó có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện áp hay dòng điện nhỏ để khống chế một công suất lớn. Máy điện một chiều kích thích độc lập cũng có thể xem như là một mô hình của MĐKĐ, trong đó tín hiệu đầu vào là công suất kích thích Pt và tín hiệu đã được khuếch đại là công suất đưa ra Pđm ở đầu máy phát, nhưng vì Pt = (1÷2)% Pđm , nên hệ số khuếch đại rất nhỏ ( kKĐ = 50 ÷ 100 ) nên máy phát điện kích thích độc lập không được dùng như MĐKĐ.
Máy điện khuếch đại có kKĐ rất lớn, vì có hai bậc khuếch đại : Hiện nay có thể chế tạo MĐKĐ có kKĐ = 10.000 ÷ 100.000. Chất lượng của MĐKĐ còn được đánh giá bởi khả năng tác động nhanh của nó, xác định bằng hằng số thời gian điện từ T của máy (T = L/R), thông thường T = (0,05 ÷ 0,3) sec. Để xét cả hai yếu tố trên người ta thường dùng hệ số chất lượng :
Sơ đồ của MĐKĐ Ở đây s.t.đ F2 do I2 tạo ra hoàn toàn bị s.t.đ của cuộn bù B trung hoà nhờ đó công suất của tín hiệu đầu vào sẽ bé dẫn đến kKĐ tăng. Biến trở Rs có công dụng hiệu chỉnh tác dụng của cuộn bù B. Cuộn trợ từ T cho phép hạ thấp dòng điện I1 do đó cải thiện được vấn đề đổi chiều cho chổi than 11. Để cải thiện đổi chiều cho cặp chổi than 22 người ta đặt dây quấn phụ DP theo hướng dọc
Cấu tạo máy điện một chiều từ trường ngang là máy điện một chiều có vành góp, dùng từ trường phản ứng phần ứng để cảm ứng dòng điện đưa ra tải. Như vậy trong dây quấn phần ứng gồm có hai dòng điện : dòng điện thứ nhất tạo ra từ trường ngang và dòng điện thứ hai đưa ra dùng được tạo nên bởi từ trường ngang đó. Cặp chổi than 11 đặt trên đường TTHH và được nối với nhau, cặp chổi than 22 đặt lệch 900 so với cặp chổi than 11 và nối với đầu dây ra của máy.
Để đặt các dây quấn nói trên, lá thép của Stator có dạng như hình sau : 1. Dây quấn điều khiển, 2. Dây quấn bù, 3. Dây quấn cực từ phụ, 4. Dây quấn trợ từ, 5. Dây quấn khử từ trễ trên mạch từ stator.
Nguyên lý làm việc của MĐKĐ: Tín hiệu được đặt vào dây quấn kích thích gọi là cuộn điều khiển. Như vậy công suất ở mạch vào: Pđk = Uđk. Iđk Dòng điện Iđk sinh ra từ thông dọc trục đk, và cảm ứng sđđ E1 ở 2 đầu chổi than 11. Vì 11 ngắn mạch nên có dòng I1 khá lớn chạy trong chổi than. Dòng I1 sinh ra từ thông 1, và cảm ứng sđđ E2 khá lớn, tạo nên điện áp U2 và cung cấp ra ngoài một dòng điện I2 nào đó. Pđk = Uđk. Iđk → P1 = U1. I1 → P2 = U2. I2 Như vậy ta đã khống chế được công suất từ Pđk → P2 khá lớn. Hệ số khuếch đại công suất : kp có thể lên đến trị số 8000 ÷ 10000.
MĐKĐ có thể dùng để duy trì điện áp, dòng điện hay duy trì tốc độ quay của một động cơ nào đó nhanh và nhạy. Thí dụ để duy trì điện áp của máy phát điện một chiều không đổi người ta dùng MĐKĐ để cung cấp dòng điện kích thích cho máy phát một chiều. Lấy tín hiệu bằng cách lấy điện áp trên điện trở ra của máy phát một chiều đưa về cuộn điều khiển thứ hai của MĐKĐ. Sức từ động của cuộn một và hai cộng nhau Khi tải tăng thì điện áp của máy phát điện một chiều sẽ giảm do phản ứng phần ứng và điện áp rơi trên phần ứng. Để khắc phục tình trạng này người ta dùng sơ đồ sau để duy trì điện áp UF của máy phát điện một chiều không đổi khi I tăng.
Sơ đồ mạch ứng dụng MĐKĐ ổn định điện áp máy phát điện. Khi I tăng → U tăng → It2 tăng →  = (1 + 2) tăng → U MĐKĐ tăng → ItF tăng → UF tăng đến U ban đầu.
Một ứng dụng của MĐKĐ dùng duy trì điện áp và tốc độ ĐC không đổi.: Mạch có chức năng như sau : Giữ : UĐ = const., I ≤ Iđm, nđm = const.
2.2.5 Máy điện không đồng bộ dùng biến đổi tần số 2.2.5.1 Nguyên lý làm việc Máy điện không đồng bộ rôto dây quấn có thể dùng làm máy biến đổi tần số f1 sang f2. Xét trường hợp f2 > f1 Dây quấn Stato MĐKĐB rôto dây quấn BT nối với lưới điện có tần số f1, roto được 1 ĐC sơ cấp ĐK kéo quay ngược chiều với từ trường quay. Tần số của sđđ cảm ứng ở dây quấn roto
Dây quấn rôto nhận năng lượng từ 2 phía. Một phần từ phía stato chuyển qua nhờ từ trường quay, một phần từ động cơ sơ cấp ĐK truyền qua theo trục của rôto . P2 = m2 s E2 I2 cosψ2 Trong đó m2 và E2 là số pha và sđđ của rôto khi đứng yên. Công suất điện từ chuyển từ stato sang roto bằng : Pđt = m2 E2 I2 cosψ2 Khi s > 1 thì P2 > Pđt , máy lấy công suất từ trục động cơ sơ cấp ĐK vào và công suất cơ đó bằng: Pcơ = P2 – Pđt.= m2 (s-1)E2 I2 cosψ2
2.2.5.2 Ứng dụng Máy điện không đồng bộ dùng biến đổi tần số thường cấp điện tần số f2 từ 100 đến 200Hz dùng trong công nghiệp
2.2.6 Máy biến đổi một phần ứng Là loại máy điện quay dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều AC sang dòng điện một chiều DC hoặc ngược lại. Sự biến đổi đó được thực hiện dựa trên cơ sở cấu tạo của máy điện một chiều và máy điện đồng bộ có chung một phần ứng. Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
Vì sđđ cảm ứng trên dây quấn phần ứng là dòng điện xoay chiều và có thể biểu thị bằng đa giác sức điện động, nên ở m điểm cách đều dây quấn đó sđđ sẽ lệch pha nhau một góc 2 /m. Nối m vành trượt với m điểm đó thì từ các chổi than tiếp xúc với các vành trượt đó ta sẽ được sđđ m pha. -Biến đổi điện MC sang điện XC: + cấp điện UMC, trong mạch MC máy làm việc như ĐCMC + trong mạch XC, máy làm việc như MFĐB 3 pha, phát ra điện UXC -Biến đổi điện XC sang điện MC: + cấp điện UXC, máy làm việc như ĐCĐB 3 pha + trong mạch MC, máy làm việc như MFĐMC, phát ra điện UMC -MFĐ biến đổi cơ năng thành điện năng: + dùng ĐC so cấp kéo roto quay + trong mạch MC, máy làm việc như MFĐMC, phát ra điện UMC + nếu cực từ N, S là NCVC thì trong mạch XC, máy làm việc như MFĐB 3 pha, phát ra điện UXC + nếu cực từ N, S lấy điện từ UMC thì trong mạch XC, máy làm việc như MFĐB 3 pha tự kích, phát ra điện UXC
Tỷ lệ giữa UXC và UMC : Dựa vào đồ thị với m = 3 ta có : U hay U U = 2 MC sin U = MC sin = 0,612U mXC 2 3 XC 2 3 MC Do tỷ lệ giữa UXC và UMC như trên nên nếu UXC là tiêu chuẩn thì UMC là không tiêu chuẩn và ngược lại. Vì máy biến đổi một phần ứng đồng thời làm việc ở hai chế độ máy phát và động cơ nên dòng điện trong dây quấn phần ứng là hiệu số IXC và IMC, do đó tổn hao trong dây quấn phần ứng nhỏ hơn tổn hao tương ứng của máy điện một chiều. Nếu số pha m lớn tổn hao đó càng nhỏ. Có thể mở máy theo phương pháp mở máy không đồng bộ của động cơ đồng bộ nếu có đặt dây quấn mở máy ở mặt cực. Hoặc có thể mở máy như động cơ một chiều sau đó hoà đồng bộ với lưới điện xoay chiều tức là cho máy làm việc ở chế độ động cơ một chiều và điều chỉnh U, f của hệ thống ba pha để hoà với lưới sau đó tắt nguồn một chiều cung cấp cho nó.
2.3. Động cơ chấp hành 2.3.1 Động cơ secvo (servo motor) 2.3.1.1 Khái niệm về động cơ secvo - Là một thiết bị biến đổi tín hiệu dưới dạng điện áp thành tín hiệu cơ dưới dạng tốc độ. - Chế độ làm việc của động cơ chấp hành có thể là chạy, thay đổi tốc độ, dừng, đảo chiều - Yêu cầu tính năng: + Các đặc tính làm việc là tuyến tính + Tác động nhanh: mômen quán tính rôto nhỏ, hằng số thời gian cơ điện nhỏ + Công suất điều khiển nhỏ + Làm việc tin cậy, kích thước trọng lượng nhỏ + Không có hiện tượng tự chạy khi máy không có hoặc khi cắt tín hiệu điều khiển.
2.3.1.2 Động cơ secvo một chiều (DC servo motor) 2.3.1.2.1.Cấu tạo - Là ĐCMC kích từ độc lập bằng điện từ hoặc từ điện. - Stato (phần cảm) tạo nên từ thông cho máy gồm hai loại kích từ: + điện từ: cực từ làm bằng các lá thép KTĐ, trên có đặt dây quấn kích từ và được nối với nguồn một chiều. + từ điện: cực từ là nam châm vĩnh cửu. - Rôto (phần ứng): + thường là rôto rỗng không dẫn từ để giảm trọng lượng. + rôto hình đĩa nối với dây quấn mạch in hoặc loại không tiếp xúc. 2.3.1.2.2.Phương pháp điều khiển: thay đổi tốc độ, chạy-dừng, đảo chiều quay M = CM.t.Iư M ≡ t.Iư Thay đổi t (It, Ut) gọi là điều khiển cực Thay đổi Iư gọi là điều khiển phần ứng Ưu điểm: giống động cơ một chiều nói chung (tốc độ làm việc rất lớn)
2.3.1.2.2.1.Điều khiển phần ứng + - Uđk Uđk Iđk Iư Iư  Ukt kt 1 2 a) Sơ đồ: Sơ đồ 1: phần kích từ (phần cảm): nam châm vĩnh cửu. Sơ đồ 2: phần kích từ (phần cảm): cuộn dây có dòng điện một chiều Ukt = const. Điều chỉnh tốc độ, chạy-dừng, đảo chiều quay bằng cách điều chỉnh Uđk là điện áp đặt vào dây quấn phần ứng
- Hệ số tín hiệu α: Uđk + kích thích kiểu điện từ: = Ukt−đm U + kích thích kiểu từ điện: = đk Uu−đm n Tốc độ quay tương đối:  = n o (no: tốc độ không tải lý tưởng M = 0, α = 1) M Mômen tương đối: m = Mkđ trong đó Mkđ – mômen khởi động khi n = 0, α = 1 Phương trình đặc tính  = α – m -Đặc tính cơ :  = f (m) khi α = const, giống như n = f (M) khi Uđk = const. -Đặc tính điều chỉnh:  = f (α) khi m = const, giống như n = f (Uđk) khi M = const.
  1 1 m = 0 = 1 m = 0,5 0,5 m 0 0,5 1 0,5 1 *Nhận xét: + Các đặc tính cơ và điều chỉnh là tuyến tính + Iđk = Iư >> Ikt → cần có công suất điều khiển lớn + Khi Uđk = 0 → Iđk = 0 → M = 0 không có hiện tượng tự quay
2.3.1.2.2.2. Điều khiển cực Ukt a) Sơ đồ Ikt Iư  Uđk đk Iđk Điện áp điều khiển đưa vào cuộn dây cực từ, chỉ dùng cho động cơ kích thích điện từ Điện áp kích thích là điện áp lưới điện đưa vào cuộn dây phần ứng Ikt = Iư. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ trường cực từ. Thay đổi Uđk → thay đổi Iđk → dòng kích từ thay đổi
b) Biểu thức đặc tính: U U - Hệ số tín hiệu (kích thích kiểu điện từ): = đk = đk U kt U luoi Phương trình mômen: M = CMđk.Iư Phương trình mômen với điều khiển cực M ≡ Iđk.Ikt − m Phương trình đặc tính  = 2 - Đặc tính cơ :  = f (m) khi α = const, giống như n = f (M) khi Uđk = const. - Đặc tính điều chỉnh:  = f (α) khi m = const, giống như n = f (Uđk) khi M = const.
  1 3 0,1 = 1 m = 0 0,2 0,75 2 0,5 0,3 1 0,5 0,6 0,8 0 1 0,5 1 m 0,5 *Nhận xét: + Đặc tính cơ tuyến tính nhưng cắt nhau → điều khiển không chính xác + Đặc tính điều chỉnh phi tuyến và đa trị → điều khiển không chính xác + Đặc tính điều chỉnh chỉ đơn trị khi mômen lớn m 0,5 và tuyến tính khi m 0,70,8 → phương pháp chỉ sử dụng khi mômen tải lớn
+ Dòng điện phần ứng lớn hơn rất nhiều dòng điện điều khiển (Iư >> Iđk) mà Iư = Ikt. Cuộn phần ứng luôn có điện áp Ukt đặt vào Ukt = Uư → Ikt = Iư 0 → gây tổn hao phần ứng, đồng thời dễ gây tia lửa ở chổi than. + Nếu trong lõi thép cực từ có từ thông dư dư thì khi Uđk = 0, Ukt ≠ 0, tương tác giữa Ikt và dư sẽ sinh ra mômen M = CM.Ikt.dư ≠ 0 →có hiện tượng tự quay nếu mômen này > mômen ma sát (mômen không tải của động cơ) *So sánh: + Động cơ chấp hành một chiều điều khiển phần ứng có đặc tính điều chỉnh tuyến tính và không có hiện tượng tự quay. + Động cơ chấp hành một chiều điều khiển cực có hiện tượng tự quay, điều khiển không chính xác. Thực tế ít sử dụng phương pháp này + Động cơ chấp hành một chiều có đặc tính điều chỉnh tốt hơn động cơ chấp hành không đồng bộ vì có đặc tính tuyến tính.
2.3.1.3 Động cơ secvo xoay chiều (AC servo motor): gồm có ĐC secvo không đồng bộ và ĐC secvo đồng bộ. Trong chương này, nội dung là về Động cơ secvo không đồng bộ (Asynchronous servo motors) 2.3.1.3.1.Cấu tạo - Động cơ chấp hành không đồng bộ là một động cơ 2 pha. - Stato có 2 dây quấn đặt lệch nhau trong không gian góc 900: + Dây quấn kích thích đặt dưới điện áp kích thích là cố định Ut = const + Dây quấn điều khiển đặt dưới điện áp điều khiển Uđk = var - Động cơ chấp hành không đồng bộ phân loại theo kết cấu rôto: 1. Roto lồng sóc: cấu tạo giống như ĐCKĐB rôto lồng sóc thông thường. Rôto bao gồm lõi sắt và thanh dẫn đúc nhôm hoặc đồng thau có điện trở suất lớn
2. Roto rỗng không dẫn từ (thường là hợp kim của nhôm) (hình vẽ gần giống máy điện một chiều rôto rỗng) có vận tốc quay đồng bộ 1500-30000 v/ph. Dòng điện xoay chiều trong các cuộn dây stato sinh ra từ trường quay, từ trường quay này cắt rôto rỗng và cảm ứng dòng điện xoáy trên bề mặt rôto. Tương tác giữa từ trường quay và dòng điện xoáy sinh ra mômen làm rôto quay. 3. Roto rỗng dẫn từ: không cần stato trong, vật liệu rôto có điện trở suất lớn, đảm bảo đặc tính cơ tuyến tính 4. Roto khối sắt từ: là một lõi thép không có răng rãnh, không có dây quấn, trên mặt phủ một lớp coi như dây quấn
2.3.1.3.2. Phương pháp điều khiển 2.3.1.3.2.1. Nguyên lý M = M2pha =CM.Ikt.Iđk.sin.sin với : góc lệch không gian 2 dây quấn kích từ và điều khiển  = /2 → sin = 1 : góc pha thời gian (Ikt,Iđk) Ukt = const → Ikt = const Momen điện từ động cơ chấp hành không đồng bộ: M = C.Iđk.sin Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi Iđk, sin. Ba phương pháp điều khiển tốc độ: - Điều khiển biên độ: thay đổi Iđk (Uđk) -Điều khiển pha: thay đổi góc  - góc giữa (Ikt, Iđk) hay góc giữa (Ukt, Uđk) - Điều khiển biên pha: thay đổi đồng thời Iđk và 
2.3.1.3.2.2. . Sơ đồ cụ thể a. Điều khiển biên độ U - Điện áp điều khiển thay ~ KT Bộ tạo đổi bằng biến trở R pha U = const kt  = 90o  = 900 = const R U - Hệ số tín hiệu): = đk Ukt ĐK W - Tỉ số biến áp k = kt Wdk (Wkt, Wđk – số vòng dây hiệu dụng cuộn kích từ và cuộn điều khiển) Điện áp điều khiển tương đối = k = Uđk Uđk e = ' Ukt / k Ukt e = 1 thì từ trường trong máy là từ trường tròn n - Tốc độ tương đối  = n1 (n: tốc độ roto; n1: tốc độ từ trường quay)
M  - Mômen tương đối m = M kđ 0 1 (Mkđ0 : là mômen khởi động khi từ trường quay là từ trường tròn) e = - Phương trình đặc tính 0,5 1,5 2( e − m) 0,5  = 2 1 1+ e  = f(m) là đặc tính cơ 0,5 1 1,5 2 m  = f( e) là đặc tính điều chỉnh Nhận xét :  - Đặc tính cơ tuyến tính nhưng lại 1 m = 0 cắt nhau nên điều khiển không chính xác 0,2 0,4 -Đặc tính điều chỉnh không tuyến 0,6 0,8 -tính e 0,5 1
b) Điều khiển pha - Điều khiển góc lệch pha  U giữa Ikt và Iđk, giữa Uđk và Ukt; giữ U = const, U = const. KT kt đk Bộ dịch pha - Phương trình đặc tính   = sin - m M2pha  Ikt.Iđk.sin.sin  = f(m) là đặc tính cơ ĐK  = f(sin) là đặc tính điều chỉnh Nhận xét: - Các đặc tính là tuyến tính -Bộ dịch pha phức tạp → việc điều khiển động cơ đơn giản nhưng việc điều khiển bộ dịch pha phức tạp hơn
  1 sin = 1 m = 0 0, 0,5 m = 0,5 5 0,2 5 0,5 1 m 0,5 1 sin
c) Điều khiển hỗn hợp (biên - pha) - Mắc thêm một tụ cho mạch kích U thích. Điện áp kích thích Ukt = U – UC luôn thay đổi về trị số và pha ~ khi vận tốc quay thay đổi. Tùy theo R trị số của tụ ta có được một từ KT trường tròn ứng với một mômen, tốc độ, một dòng điện nhất định. Ở mạch điều khiển mắc thêm một điện trở R. ĐK 0 –hệ số tín hiệu biên độ điện áp điều khiển khi có từ trường quay tròn lúc mở máy 2( e.sin  − m) Phương trình đặc tính  = 2 1+ e
  1 0 1 m = 0 0,5 0,5 0 m = 0,5 1 m e 0,5 1 Nhận xét: - Ưu điểm : sơ đồ rất đơn giản - Nhược điểm: đặc tính không được tuyến tính lắm nếu mức độ điều khiển không cần độ chính xác quá cao thì các phi tuyến này chấp nhận được. Thực tế hay gặp phương pháp này
2.3.1.3.3. Hiện tượng tự quay Là hiện tượng động cơ chấp hành vẫn làm việc khi không có tín hiệu điều khiển. Tự chạy do hai nguyên nhân. 2.3.1.3.3.1. . Do nguyên lý làm việc (nguyên nhân về thông số) - Các thông số R, X của động cơ chấp hành chưa thích hợp. Động cơ chấp hành là động cơ hai pha (có M2pha) với từ trường elip khi nó làm việc với Ukt, Uđk 0. Khi có tín hiệu điều khiển → động cơ quay → tốc độ thay đổi. Ukt Uđk
Cắt tín hiệu Uđk = 0 thì động cơ chấp hành biến thành động M cơ một pha với từ trường là đập mạch: M chuyển 2pha M2pha sang M1pha và tại điểm làm Mtải việc sA có M ≠ 0. Do ĐC M1pha đang quay theo quán tính nên tiếp tục quay. Gọi hiện tượng 0 s 1 s tự chạy vì thông số của A động cơ chấp hành lúc bấy giờ chỉ là thông số của động cơ bình thường. -Cách khắc phục:Trong máy điện không đồng bộ Mmax không phụ thuộc vào điện trở của roto, và hệ số trượt ứng với giá trị max của mômen goi là hệ số trượt tới hạn r s = 2 m ' x1 + x 2
Khi tăng r → s tăng → đường cong 2 m A M2pha = MĐCCH mômen bắt đầu dịch chuyển. sm = 0,5 (Ví dụ hình bên cạnh: sm = 0,5). M1 Bình thường ở động cơ chấp hành không đồng bộ s = 0.2  0.3 m M1pha = M1 +M2 Khi tăng điện trở roto r2 , đường cong 0 mômen bắt đầu dịch chuyển sA sm 1 2 s đường cong mômen thuận M1, mômen M2 ngược M2 tiếp tục choãi ra → mômen tổng M1pha có sm tăng. M1 s = 1 (Ví dụ hình bên cạnh: sm = 1, tại điểm m làm việc s có M <0 và ngược A 1pha s chiều với mômen quán tính của rôto 0 sA 1 sm làm cho ĐCCH ngừng quay). M1pha Muốn không có hiện tượng tự quay, M2 cần tăng điện trở rôto r2 để có sm 1. Trong thực tế thường chế tạo sm = 24
2.3.1.3.3.2. . Do công nghệ chế tạo : rôto sẽ quay ngay sau khi có Ukt ≠ 0 mặc dù không có tín hiệu Uđk = 0. a. Nguyên nhân -Một số lá thép stato cách điện không tốt coi như bị ngắn mạch về từ làm tăng dòng Fucô, cục bộ bản chất vật lý giống động cơ vành ngắn mạch → tạo nên mômen khởi động -Một vài vòng dây của dây quấn stato bị ngắn mạch (hiện tượng giống như trên) - Hai cuộn dây kích từ và điều khiển đắt lệch nhau góc ≠ 900. - Khe hở không khí không đều hoặc thành rôto rỗng có độ dày không đều. Tất cả các trường hợp trên dẫn tới từ trường trong máy không phải là đập mạch mà là elip, mômen khởi động ≠ 0, rôto tự quay b. Cách khắc phục -Nâng cao trình độ tay nghề, chế tạo chính xác, cải tiến quy trình công nghệ
2.3.1.4 Ứng dụng của động cơ secvo Các ứng dụng công nghiệp phổ biến cho động cơ secvo. Động cơ secvo nhỏ và hiệu quả nhưng rất quan trọng để sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí chính xác. Động cơ servo được điều khiển bởi tín hiệu (dữ liệu) phổ biến hiện nay là bộ điều biến độ rộng xung (PWM). Một số ứng dụng động cơ servo phổ biến được sử dụng hiện nay. -Rô bốt -Băng tải băng chuyền -Lấy nét tự động của máy ảnh -Xe robot -Hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời -Máy cắt và tạo hình kim loại -Định vị ăng-ten -Chế biến gỗ / CNC -Dệt may
2.3.2 Động cơ bước (Stepper motor) 2.3.2.1 Tổng quan về động cơ bước Động cơ bước là loại động cơ được dùng để biến đổi các lệnh cho dưới dạng xung điện thành sự dịch chuyển dứt khoát về góc hay đường thẳng – như là bước từng bước mà không cần cảm biến phản hồi. Động cơ làm việc phải có kèm theo bộ đổi chiều điện tử dùng để chuyển đổi các cuộn dây điều khiển của động cơ bước với thứ tự và tần số tuỳ theo lệnh đã cho. Góc quay tổng hợp của rotor động cơ bước tương ứng chính xác với số lần chuyển đổi các cuộn dây điều khiển, chiều quay phụ thuộc theo thứ tự chuyển đổi, tốc độ quay phụ thuộc tần số chuyển đổi. Như vậy trong trường hợp tổng quát có thể xem động cơ bước với bộ điều khiển đổi chiều điện tử như là một hệ thống điều chỉnh tần số của động cơ đồng bộ với khả năng định vị trí góc xoay rotor, tức là bằng cách thay đổi tần số cho đến không.
Động cơ bước được sử dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển tự động, thí dụ trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình, trong các thiết bị của kỹ thuật máy tính Trong các hệ thống trên, động cơ bước được sử dụng hoặc để thực hiện sự truyền động theo chương trình điều khiển các cơ cấu thừa hành như nhiệm vụ động cơ chấp hành, hoặc như là một phần tử phụ biến đổi các mã xung thành tín hiệu điều chế cho một hệ thống nào đó. Với nhiệm vụ và chức năng nói trên, động cơ bước đòi hỏi những yêu cầu riêng về kỹ thuật, ngoài những yêu cầu chung : - Có bước chuyển dịch bé. - Momen đồng bộ hoá đủ lớn đảm bảo được sai số góc nhỏ nhất khi thực hiện bước di chuyển. - Không tích luỹ sai số khi tăng số bước. - Tác động nhanh. - Làm việc bảo đảm khi có cuộn dây điều khiển ít nhất. - Động cơ và cả bộ điều khiển đổi chiều có cấu tạo đơn giản.
Tuỳ theo cấu tạo, động cơ bước có những loại như : - Chỉ thị hay động lực. - Thuận nghịch hay không thuận nghịch. - Có một stator hay nhiều stator. - Có một hay nhiều cuộn dây điều khiển (quấn tập trung hoặc quấn rải). - Rotor tác dụng (có dây quấn kích thích hoặc nam châm vĩnh cửu) và Rotor phản kháng (không có dây quấn), hoặc lai (kết hợp cả rotor tác dụng và rotor phản kháng) - Rotor hình đĩa hay rotor mạch in. - Bước dịch chuyển xoay hay dịch chuyển thẳng trực tiếp
Điện áp điều khiển động cơ bước thường là điện áp có dạng xung vuông U U Xung một cực t t Xung hai cực Dưới tác động của các xung điện áp thì Rôto sẽ xoay đi một góc gọi là bước và kí hiệu là 360 Công thức tính: = K trong đó: K (số bước quay) = m.n1.n2.p
với m - số cuộn dây điều khiển trên stato; n1 - hệ số phụ thuộc cách điều khiển xung, n1 = 1 khi điều khiển đối xứng (số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi) n1 = 2 khi điều khiển không đối xứng (số lượng cuộn dây được điều khiển lúc chẵn lúc lẻ) n2 - hệ số phụ thuộc vào loại xung: n2 = 1 khi điều khiển bằng xung một cực n2 = 2 khi điều khiển bằng xung hai cực p - số đôi cực rôto - Cấu tạo: + Phần ứng ở stato: gồm nhiều cuộn dây và được nhận các xung điện áp + Phần cảm ở rôto có dạng cực từ : là NCVC hoặc sắt từ - Phân loại : + Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Động cơ bước rôto tác dụng) + Động cơ bước từ trở thay đổi (ĐC bước rôto phản kháng) + Động cơ bước lai
2.3.2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet stepper motor)= Động cơ bước roto tác dụng (active rotor motor), góc quay 5-150 - Cấu tạo: + Stato gồm nhiều lá thép có dạng cực lồi, trên cực từ có đặt dây quấn, mỗi cực có một bối dây. + Rôto là nam châm vĩnh cửu hình sao - Nguyên lý.
Ví dụ 1: ĐC bước NC vĩnh cửu, stator 4 cực, roto 2 cực, góc quay 900 K = m.n1.n2.p = 2.1.2.1=4 U1 xung 1 1 5 t 3 U2 xung 2 2 t 4 N S  S N N N S N S S N S N S S N 1 2 3 4
Ví dụ 2: ĐC bước NC vĩnh cửu, stator 4 cực, roto 2 cực, góc quay 900 K = m.n1.n2.p = 4.1.1.1 = 4 N S U N S N 1 N 1 5 t U2 2 t U 1 2 3 3 t U4 4 t N N S N S N 3 4
Ví dụ 3: ĐC bước NC vĩnh cửu, stator 8 cực, roto 2 cực, góc quay 450
Ví dụ 4: ĐC bước NC vĩnh cửu đơn cực, stator 4 cực, roto 6 cực, góc quay 300 Dây quấn 1a: 100010001000 Dây quấn 1b: 001000100010 Dây quấn 2a: 010001000100 Dây quấn 2b: 000100010001 Các cực của stator sẽ hút các cực trái dấu của roto
2.3.2.3 Động cơ bước từ trở thay đổi một ngăn (single stack variable – reluctance stepper motor), góc quay 15-450 Ví dụ 5: stator 6 cực, roto 4 răng, góc quay 300 Dây quấn 1: 1001001001001 Dây quấn 2: 0100100100100 Dây quấn 3: 0010010010010
Răng rôto được đánh dấu X bị hút vào cuộn 1 khi nó được kích hoạt. Sự kéo này được gây ra bởi đường từ thông được tạo ra xung quanh cuộn dây và rôto. Rôto chịu mô-men quay và di chuyển tới vị trí thẳng hàng tới các cuộn dây được kích hoạt, để rút ngắn đường đi của từ thông. Roto di chuyển theo chiều kim đồng hồ khi cuộn dây 1 bị ngắt và cuộn dây 2 được kích hoạt. Răng rôto được đánh dấu Y bị hút bởi cuộn dây 2. Điều này dẫn đến roto chuyển động theo chiều kim đồng hồ 300 khi Y xếp thẳng hàng với cuộn dây 2. Chuyển động theo chiều kim đồng hồ liên tục đạt được bằng cách cuộn dây luân phiên được kích hoạt và ngắt.
Ví dụ 6: stator 6 cực, roto 4 răng, góc quay 150
ĐC chạy “nửa bước” bằng cách cấp điện cho 3 pha theo thứ tự A, AB, B, BC, C, CA, A. Đầu tiên cấp điện cho cuộn A, răng 1 roto ở vị trí A1 (hình a). Sau đó cấp điện đồng thời cho cả cuộn A và B, răng 1 roto xoay theo chiều kim đồng hồ tạo với A1 góc 150 (lúc này roto đi được có nửa bước, hình b). Tiếp theo chỉ cấp điện cho cuộn B sẽ kéo răng 2 roto ở vị trí B3, răng 4 roto ở vị trí B6 (hình c), kết quả răng 1 roto xoay tiếp góc 150 và lệch với A1 góc 300.
Ví dụ 7: stator 8 cực, roto 6 răng, góc quay 150
2.3.2.4 .Động cơ bước từ trở thay đổi nhiều ngăn (multi stack variable – reluctance stepper motor), góc quay 1-50 Động cơ bước từ trở thay đổi có thể có nhiều ngăn (tầng). Thông thường là 2, 3, 4 hay nhiều ngăn hơn nữa. Một ngăn được xem như 1 pha. Ví dụ 8: động cơ bước từ trở thay đổi 3 pha (3 ngăn ). Stator của mỗi ngăn có 4 cực, mỗi cực có 3 răng. Trong mỗi ngăn số răng rotor và stator giống nhau. Răng của 3 rotor có vị trí đặt giống nhau nhưng răng của stator đặt lệch nhau 1/3 bước răng. Răng rotor và stator ngăn 1 đối đỉnh, răng rotor và stator ngăn 2 lệch nhau 100 (cấu tạo stator ngăn 2 xoay 1 góc 100 so với stator ngăn 1), tương tự răng rotor và stator ngăn 3 lệch nhau 200 (stator xoay 1 góc 200 đối với stator ngăn 1 hay 1 góc 100 đối với stator ngăn 2). Răng của 3 rotor nằm trên cùng trục và thẳng hàng.
0 ZR = ZS = 12, i = S = 10 . Góc lệch của 2 ngăn kề nhau i, xác định như sau : Trong đó ZR : Số răng của rotor cũng như stator. m : số pha hay số ngăn. 0 Trong trường hợp trên ZR = 12, m = 3, do đó I = 10
Nguyên lý làm việc của động cơ như sau: Giả sử ban đầu đặt dòng điện điều khiển vào ngăn 1 thì răng rotor và stator của ngăn 1 đối đỉnh (do từ thông chọn đường đi có từ trở bé nhất). Lúc này răng rotor và stator ngăn 2 lệch nhau 100, răng rotor và stator ngăn 3 lệch nhau 200. Đặt dòng điện điều khiển vào ngăn 2, dòng điện điều khiển ngăn 1 được cắt. Rotor bước một góc 100 để răng rotor và stator ngăn 2 đối đỉnh. Lúc này răng rotor và stator ngăn 3 lệch nhau 100. Tiếp tục đặt dòng điện điều khiển vào ngăn 3, dòng điện điều khiển ngăn 2 được cắt. Rotor bước thêm 1 góc 100 để răng rotor và stator ngăn 3 đối đỉnh. Lúc này răng rotor và stator ngăn 1 lệch nhau 100. Tiếp tục đặt dòng điện điều khiển vào ngăn 1, quá trình lập lại. Kết quả rotor tiến theo chiều kim đồng hồ với trình tự điều khiển 1231. Tổng quát, trục động cơ sẽ tiến 1 bước răng trong m bước. Muốn trục động cơ bước theo chiều ngược lại trình tự điều khiển được đảo lại 1321. Nguồn điều khiển là đơn cực. Muốn có góc bước nhỏ hơn có thể sử dụng, phương thức điều khiển như ở động cơ xung.
2.3.2.5 Động cơ bước lai (hybrid stepper motor) Ví dụ 9: a) Cấu tạo: bao gồm đặc điểm của ĐC từ trở thay đổi và ĐC nam châm vĩnh cửu. Roto được từ hóa dọc trục, tạo ra cặp cực từ N,S. Hai đầu mũ gắn vào hai đầu nam châm dọc trục, có số răng bằng nhau và được từ hóa bởi cực tính tương ứng của nam châm dọc trục. Stato có 4 cực và 2 cặp dây quấn stato. Roto có 5 cực N tại 1 đầu mũ và 5 cực S tại đầu mũ khác. Mặt cắt x-x’, y-y’ thể hiện trong hình a, c. b) Nguyên lý làm việc. Trong hình a, A B Góc quay pha A bên stato được kích từ tạo ra + 0 00 cực S hút cực N của roto. Sau đó ngắt 0 kích từ pha A, pha B được kích từ , 0 + 18 rotor quay ngược chiều kim đồng hồ - 0 360 0 0 0 1 góc = 360 /4- 360 /5=18 0 - 540 Bảng chân lý: + 0 720
ĐC bước lai thực tế có nhiều cực từ hơn để có góc quay nhỏ hơn. Ví dụ 10: Stato có 8 cực, mỗi cực có 5 răng, roto có 50 răng. Góc quay = 3600/40- 3600/50=1,80. Góc quay có thể còn nhỏ hơn nếu tăng số ngăn roto
Ví dụ 11: Stato có 4 cực, roto có 3 răng
2.3.2.6. Điều khiển động cơ bước 2.3.2.6.1. Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước Động cơ bước có thể quay với bất kỳ tốc độ nào trong giải từ 0 vòng/phút đến giá trị cực đại cho phép. Do tính chất đặc biệt, động cơ bước có thể dừng đột ngột ở bất kỳ vị trí nào trong độ phân giải của góc bước khi đang quay với bất kỳ tốc độ nào trong dải cho phép. Vì vậy động cơ ít khi được dùng cho các thiết bị cần quay với tốc độ đều (trường hợp này ta sử dụng các loại động cơ khác đơn giản hơn) mà nó được sử dụng chủ yếu để điều khiển thích nghi, nghĩa là tốc độ quay biến đổi liên tục, thậm chí động cơ phải dừng và đứng yên ở vị trí bám sát. Do đó, vận tốc quay của động cơ bước thường luôn được hiểu là vận tốc trung bình. Giả sử trong thời gian t (giây) ta thực hiện n lần dịch bước (mỗi lần dịch một bước) thì tần số dịch bước là f = n/t. Giả sử góc bước của động cơ là 0 thì để đạt được một vòng quay động cơ cần quay 3600/ 0 bước quay.
Vận tốc trung bình V của động cơ bước trong thời gian t giây là: Điều khiển vận tốc động cơ bước được thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịch bước f. Lưu ý rằng tần số dịch bước f trong trường hợp tổng quát không đồng nhất với tần số các xung điều khiển, mà là tổ hợp của sự biến đổi các trạng thái của các xung điện điều khiển đó. Vì vậy việc điều khiển này thường được thực hiện bởi các bộ vi xử lý.
2.3.2.6.2. Điều khiển chiều quay của động cơ bước Chiều quay của động cơ một chiều có thể thay đổi bằng cách đảo chiều dòng điện cấp vào. Đối với động cơ bước, chiều quay nhìn chung không đồng nhất với chiều dòng điện cấp cho các cuộn dây mà nó phụ thuộc thứ tự chuyển dịch các bước. Chẳng hạn, rotor dang vị trí bước thứ n; nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí bước thứ (n+1) thì động cơ quay phải; nếu ta cấp điện sao cho rotor chuyển sang vị trí bước thứ (n-1) thì động cơ quay trái. Bộ tạo xung điều khiển sẽ thực hiện việc này. Chiều quay của động cơ bước được xác định bằng thứ tự chuyển dịch các trạng thái cấp điện của các cuộn dây stator.
2.3.2.7 Ứng dụng của động cơ bước - Tự động hóa : trong thiết bị điều khiển robot, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt. - Điện tử tiêu dùng : dùng trong máy ảnh số để lấy nét và điều chỉnh tiêu cự. - Oto và máy bay: để kiểm soát hành trình, định vị ăng ten quân sự, dùng trong thiết bị cảm biến tự động, ăng ten, thiết bị quét. - Thiết bị văn phòng: dùng bên trong máy tính, ổ đĩa lưu trữ dữ liệu, đầu ổ đĩa quang máy in, máy in mã vạch, máy quét. -Y tế: trong máy quét y tế, động cơ bước điều khiển chuyển động đa trục vi mô hoặc nano của thiết bị tự động, máy bơm pha chế, dụng cụ lấy mẫu và dụng cụ tiêm tự động sắc ký, chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, máy bơm chất lỏng, mặt nạ phòng độc, máy phân tích máu
- Máy công nghiệp: sử dụng trong đồng hồ đo ô tô, thiết bị sản xuất tự động (bộ điều khiển động cơ bước đơn /đa trục) và trong bộ dụng cụ trang bị thêm (bộ điều khiển động cơ bước và động cơ) cho điều khiển máy CNC. - Thiết bị khoa học: máy quang phổ thiết bị khoa học, định vị kính viễn vọng quan sát. - Hóa học: thiết bị trộn và lấy mẫu sử dụng bộ điều khiển động cơ bước và thiết bị kiểm tra môi trường có động cơ bước đơn / đa trục được điều khiển. - An ninh: sản phẩm giám sát mới cho ngành công nghiệp bảo mật - Công nghiệp games: động cơ cung cấp trong máy đánh bạc, máy kéo bánh xe và xáo trộn thẻ.
2.3.3 Động cơ một chiều không chổi than (brushless direct current motor –BLDC motor) Tên gọi khác: ĐCMC không tiếp xúc, ĐCMC không vành góp, ĐC BLDC) ĐC vành góp một chiều do có tiếp xúc chổi than, giảm độ tin cậy, gây nhiễu. Tác dụng của vành góp và chổi than: mômen quay theo một chiều N B N N F®t ab F®t F®t cd cd ab F®t i M F®t M cd ab M ab Fđt F®t S S S có phiến góp không có phiến góp có phiến góp + chổi than + chổi than + chổi than
Thời gian gần đây đã xuất hiện và đưa vào sử dụng ĐCMC không tiếp xúc với bộ phận đổi chiều điện tử để tăng độ tin cậy trong các điều kiện làm việc 2.3.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ BLDC 2.3.3.1.1. Cấu tạo Gồm 3 bộ phận - Động cơ một chiều có + Phần ứng đứng yên bên stato; Stato được ghép từ các lá thép KTĐ, trong các rãnh đặt dây quấn phần ứng + Phần cảm (kích từ) bên rôto: * Nam châm vĩnh cửu, được sử dụng nhiều *Kích thích điện từ, ít được sử dụng do có cấu tạo phức tạp - Cảm biến vị trí rôto (Hall, quang điện )đặt cùng vỏ máy với động cơ, thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều - Bộ chuyển mạch (bộ đổi chiều không tiếp xúc).
Cuộn dây phần ứng đứng yên nên bộ phận đổi chiều dễ dàng được thay thế bằng bộ đổi chiều điện tử, được điều khiển bởi bộ cảm biến vị trí đặt trên trục động cơ
2.3.3.1.2. Nguyên lý làm việc Ví dụ 1. ĐC BLDC 3 pha, có cảm biến, transistor Xem xét nguyên lý hoạt động của sơ đồ sau: - Động cơ một chiều có: + Stato đặt 3 pha dây quấn : 3 cuộn dây A, B, C nối chung một đầu với nhau. Đầu còn lại của mỗi pha nối với các cực của transistor. + Roto: NCVC - Cảm biến vị trí có: + Stato đặt các phần tử cảm ứng SA, SB, SC + Rôto: NCVC có dạng hình tròn khuyết và đặt trên cùng một trục với rôto ĐC + Bộ đổi chiều: 3 transistor TA, TB, TC mắc nối tiếp với các pha.
+ Lá thép + + stato N Mô hình bộ đổi chiều (giống như chổi than) - S - Nam châm vĩnh Cuộn - cửu dây + − Vỏ động cơ Stat Stato, phần ứng Rôtoo Rôto, phần cảm Cảm biến vị trí Động cơ
A NCVC hình cánh quạt TA Nối cùng SA trục N S TB SC SB C B TC Động Cảm biến vị Bộ cơ trí chuyển mạch
B B + Fđt M N F A + N S A đt S M C C -Tại vị trí như hình vẽ: nam châm rẻ quạt (hình tròn khuyết) tác động lên SA làmTA mở ra → cuộn A có điện IA 0 ; transistor TB, TC đóng IB, IC = 0 → xuất hiện lực điện từ (xác định theo quy tắc bàn tay trái), sinh ra mômen M làm rôto quay theo chiều kim đồng hồ. Khi nam châm rẻ quạt quay tới vị trí SB, cảm biến SA mất tín hiệu, TA đóng lại, cuộn Amất điện IA = 0. Cảm biến SB có tín hiệu, TB mở, cuộn B có điện IB 0, xuất hiện lực điện từ tác động làm rôto quay tiếp Cứ như vậy, rôto quay đều.
-Khi tăng số pha dây quấn phần ứng (số transistor và cảm biến) bằng số bối dây và số phiến góp của MĐMC có vành góp, đặc tính động cơ không tiếp xúc này giống như ĐCMC có vành góp thông thường. -Đảo chiều quay bằng cách đảo trình tự logic diều khiển các van bán dẫn - Ưu điểm: + không có tiếp xúc, đổi chiều không có tia lửa điện, + độ tin cậy cao, có thể làm việc ở mọi môi trường. + đặc tính cơ tốt, + đáp ứng nhanh + hiệu suất cao + không có tiếng ồn -Nhược điểm: phức tạp về mặt điều khiển, kích thước bộ đổi chiều lớn, giá thành cao
2.3.3.2 Phương pháp điều khiển động cơ BLDC Ví dụ 2. Xét phương pháp điều khiển ĐC BLDC 1 pha có cảm biến. Nam châm vĩnh cửu 4 cực nằm trên Rôto được đặt bên trong stato. Một cảm biến vị trí Hall (ký hiệu “a” có dấu chấm bên cạnh) gắn vào bên ngoài stato, cảm ứng điện áp tỷ lệ thuận từ cảm (giả sử cảm biến ở mức CAO khi cực N roto đi ngang qua và ở mức THẤP khi cực S roto đi ngang qua). SW1 và SW4 mở ra (thông mạch) đầu ra cảm biến Hall ở mức CAO, như thể hiện trong hình (a) và (b). Ở giai đoạn này, dòng điện phần ứng chạy qua cuộn dây stato từ OUT1 đến OUT2 và tạo ra các cực điện từ NS stator tương ứng. Lực từ được tạo ra bởi từ trường rôto và từ trường stator làm cho rôto quay. Sau khi rôto quay được 180°, điện áp đầu ra Hall đảo ngược do vị trí gần với cực S. SW2 và SW3 sau đó mở ra (thông mạch) với dòng điện đảo chiều đi từ OUT2 sang OUT1, như trong (c) và (d). Các cực từ của stato đối diện làm cho rôto tiếp tục quay cùng chiều.
Ví dụ 3. ĐC BLDC không cảm biến dùng trong quạt làm mát máy tính. Stato trong, roto NCVC đặt ngoài
Nguyên lý hoạt động IC công suất phát ra 2 dãy xung ở 2 chân: 2 và 3 có trạng thái đối ngược nhau: 2 3 Lúc này cuộn dây xa và cuộn dây yb luân phiên được cấp điện cực tính trên các cực của stato liên tục bị thay đổi với tần số bằng tần số xung của IC công suất phát ra Mô phỏng
Phương thức điều khiển Tốc độ của động cơ một chiều được tính theo công thức: U - I R 60 n = uu vòng/phút (1) KudΦ 2π Trong đó: U: Điện áp đặt vào phần ứng Iu: Dòng điện phần ứng Ru: Điện trở phần ứng Ku: Hệ số dây quấn Φd: Từ thông phần cảm (Cực từ) Đối với một động cơ BLDC đã cho thì Ku, Φd là cố định Vì vậy muốn thay đổi tốc độ động cơ thì có thể thay đổi điện áp U, điện trở phần ứng Ru
Phương thức điều khiển Đối với động cơ: Eu =U - I u R u Np Np Ta lại có: E= =K Ku = u dmudm 2 a Trong đó: 2 a N: số thanh dẫn trong dây quấn p: Số cực a: số mạch nhánh song song ωm: vận tốc góc của phần ứng ω=2πfmIC fIC : Tần số phát ra của IC công suất 60 Thay Eu vào (1) ta được n = ω = 60 f vòng/phút mIC2π Vì vậy khi thay đổi tần số xung ra ở IC công suất thì tốc độ của động cơ thay đổi.
2.3.3.3 Ứng dụng của động cơ BLDC trong điều khiển tự động Động cơ không chổi than có thể đáp ứng nhiều chức năng động cơ DC có chổi than, nhưng chi phí và độ phức tạp điều khiển đã làm cho động cơ không chổi than không thể thay thế hoàn toàn động cơ có chổi than ở lĩnh vực chi phí rẻ. Tuy nhiên, động cơ không chổi than đã thống trị nhiều ứng dụng, đặc biệt là các thiết bị như ổ cứng máy tính và đầu đĩa CD / DVD. Động cơ không chổi than được sử dụng độc quyền trong quạt làm mát nhỏ cho các thiết bị điện tử. Chúng có thể được tìm thấy trong các máy công cụ cầm tay không dây, trong đó do hiệu suất cao của động cơ đến thời gian sử dụng lâu hơn trước khi cần phải sạc pin. Động cơ không chổi than tốc độ thấp, công suất nhỏ được sử dụng trong các bàn xoay truyền động trực tiếp của máy nghe nhạc đĩa than
- Giao thông. Động cơ không chổi than được tìm thấy trong xe điện, xe lai và phương tiện giao thông cá nhân. Hầu hết các xe đạp điện sử dụng động cơ không chổi than và đôi khi được tích hợp vào trục bánh xe, với stator cố định chắc chắn vào trục và nam châm được gắn và xoay với bánh xe. Nguyên tắc tương tự được áp dụng trong bánh xe tay ga tự cân bằng. Hầu hết các mô hình chạy điện điều khiển bằng sóng radio (remote-controlled RC) sử dụng động cơ không chổi than vì hiệu suất cao - Máy công cụ cầm tay không dây: ví dụ như máy cắt cỏ, máy thổi lá, máy cưa và máy khoan /bộ dẫn động. Ưu điểm của ĐC không chổi than so với động cơ có chổi than (trọng lượng thấp, hiệu suất cao) là rất quan trọng đối với các công cụ cầm tay, chạy bằng pin so với các máy công cụ cố định công suất lớn cắm vào ổ cắm AC, do đó nó đã phát triển nhanh trong phân khúc thị trường đó.
- Hệ thống điều hòa không khí. Có xu hướng trong ngành và điện lạnh sử dụng động cơ không chổi than thay vì các loại động cơ AC khác nhau. Lý do quan trọng nhất là giảm đáng kể công suất tiêu thụ Trong khi các động cơ xẻ cực và động cơ điện dung đã từng chiếm ưu thế trong các động cơ của quạt, nhiều quạt hiện nay chạy bằng động cơ không chổi than. Các hệ thống HVAC (đặc biệt là các hệ thống có tốc độ biến đổi và / hoặc điều chế tải) sử dụng động cơ không chổi than vì bộ vi xử lý tích hợp cho phép lập trình, kiểm soát luồng khí và truyền thông. Một số quạt trần và quạt cầm tay cũng dùng động cơ này. Chúng được quảng cáo động cơ có hiệu suất cao và chạy êm hơn các loại quạt khác. - Công nghiệp. Việc áp dụng động cơ DC không chổi than trong kỹ thuật công nghiệp chủ yếu tập trung vào quá trình sản xuất, thiết kế tự động hóa công nghiệp, hệ thống điều khiển chuyển động, định vị hoặc truyền động.
Động cơ không chổi than rất phù hợp cho các ứng dụng sản xuất vì mật độ công suất cao, đặc tính mô-men tốc độ tốt, hiệu suất cao, dải tốc độ rộng và ít phải bảo trì. Các ứng dụng phổ biến nhất của động cơ DC không chổi than trong kỹ thuật công nghiệp là động cơ tuyến tính, động cơ servo, bộ truyền động cho robot công nghiệp, động cơ truyền động đùn trục vít và máy công cụ CNC -Hệ thống điều khiển chuyển động. Động cơ không chổi than thường được sử dụng làm máy bơm, quạt và dẫn động trục chính trong các ứng dụng có thể điều chỉnh hoặc thay đổi tốc độ vì chúng có khả năng tạo ra mô-men cao với tốc độ đáp ứng tốt. Ngoài ra, chúng có thể dễ dàng tự động hóa để điều khiển từ xa. Do cấu tạo, chúng có đặc tính nhiệt tốt và hiệu quả năng lượng cao. Để có được đáp ứng được với sự thay đổi của tốc độ, động cơ không chổi than hoạt động trong một hệ thống điện cơ bao gồm bộ điều khiển động cơ điện tử và cảm biến phản hồi vị trí rôto. Động cơ DC không chổi than được sử dụng rộng rãi làm động cơ servo cho các bộ dẫn động máy công cụ.
Động cơ servo được sử dụng cho chuyển vị cơ học, định vị hoặc điều khiển chuyển động chính xác. Động cơ bước DC cũng có thể được sử dụng như động cơ servo; tuy nhiên, vì chúng được vận hành với điều khiển vòng hở, nên tạo ra các xung mô-men. Động cơ DC không chổi than phù hợp hơn với vai trò là động cơ servo vì chuyển động chính xác của chúng dựa trên hệ thống điều khiển vòng kín được kiểm soát chặt chẽ và hoạt động ổn định. -Hệ thống định vị và truyền động công nghiệp Đối với robot lắp ráp, động cơ bước không chổi than hoặc động cơ servo được sử dụng để định vị một bộ phận để lắp ráp hoặc là công cụ cho quy trình sản xuất, chẳng hạn như hàn hoặc sơn. Động cơ không chổi than cũng có thể được sử dụng để điều khiển bộ truyền động tuyến tính. Động cơ trực tiếp tạo ra chuyển động tuyến tính được gọi là động cơ tuyến tính. Ưu điểm của động cơ tuyến tính là chúng có thể tạo ra chuyển động tuyến tính mà không cần hệ thống truyền lực, chẳng hạn như trục vít me bi, trục vít me, truyền động thanh răng, bánh cam, bánh răng hoặc dây đai, khi dùng động cơ quay.
-Máy bay mô hình. Động cơ không chổi than đã trở thành một lựa chọn động cơ phổ biến cho máy bay mô hình bao gồm máy bay trực thăng và máy bay không người lái. Tỷ lệ công suất trên trọng lượng thuận lợi của chúng và phạm vi kích thước rộng có sẵn, từ dưới 5 gram đến động cơ lớn kilowatt được xếp hạng tốt trong phạm vi đầu ra, đã cách mạng hóa thị trường cho mô hình bay chạy bằng điện, thay thế hầu như tất cả các động cơ điện có chổi than, ngoại trừ đối với máy bay đồ chơi rẻ tiền công suất nhỏ. Chúng cũng kích thích sự tăng cường sử dụng máy bay mô hình chạy điện đơn giản, nhẹ, thay vì các động cơ đốt trong trước đây cung cấp cho các mô hình lớn hơn và nặng hơn. Tỷ lệ công suất trên trọng lượng tăng của pin hiện nay và động cơ không chổi than cho phép các mô hình tăng dần theo chiều thẳng đứng, thay vì leo lên dần dần. Tiếng ồn thấp và khối lượng nhỏ so với động cơ đốt trong nhiên liệu nhỏ cũng là một lý do khác cho sự phổ biến của chúng.
2.3.4 Động cơ VS (variable speed motor) Động cơ VS (Motor VS) là một động cơ gắn khớp từ có khả năng điều chỉnh được tốc độ máy công tác. Khớp từ thực chất là một khớp ly hợp mà thao tác "ly" và "hợp" được thực hiện bởi từ trường một chiều của nam châm điện. Tùy theo từ trường này mạnh hay yếu dẫn đến lực từ liên kết giữa trục động cơ và trục máy công tác mạnh hay yếu và cuối cùng là tốc độ trên đầu trục của máy công tác là nhanh hay chậm. Ta có thể điều chỉnh trơn tốc độ ra trục máy công tác bằng bộ điều khiển điện áp một chiều nối với cuộn dây của khớp từ.
2.3.4.1 Cấu tạo và đặc điểm 6
Bộ điều khiển và động cơ VS là một bộ thiết bị bao gồm: 01 động cơ KĐB 3 pha, 01 cơ cấu từ trường dạng li hợp từ 01 bộ điều khiển lực từ (DC Current control). - Khi động cơ sơ cấp quay, ống lót gắn trên trục sơ cấp cũng quay theo. Tốc độ quay bằng tốc độ quay của trục sơ cấp. lúc này ta bắt đầu cấp nguồn điện 1 chiều vào nam châm điện, dưới tác dụng của từ trường nam châm điện càng lớn thì lực điện từ sinh ra càng lớn dẫn đến tốc độ quay của trục thứ cấp càng lớn. - Tốc độ quay của của trục thứ cấp luôn nhỏ hơn hoặc bằng tốc độ của trục sơ cấp. - Như vậy khớp nối giữa trục sơ cấp và trục ra thứ cấp được thực hiện bằng từ trường của Nam châm và được gọi là khớp từ hay khớp nối mềm. - Tốc độ trục thứ cấp được điều chỉnh tùy theo đặc tính tải từ 0 đến tốc độ định mức của ĐCKĐB.
Đặc điểm của động cơ VS: - Phải sử dụng 2 nguồn điện khác nhau là nguồn 1 chiều cho việc điều chỉnh tốc độ , và nguồn xoay chiều 3 pha cấp cho động cơ phần sơ cấp. - Trong quá trình hoạt động, motor phía sơ cấp luôn quay ở tốc độ định mức mặc dù tốc độ của trục thứ cấp thay đổi theo điều chỉnh, việc này dẫn đến lãng phí điện năng. - Tốc độ động cơ chỉ được giới hạn trong dải tần số 0 Hz cho tới tần số của điện lưới - Động cơ VS không có khả năng bù momen trong quá trình khởi động - Mạch khống chế điều khiển tốc độ tương đối phức tạp. - Hiệu suất làm việc không cao vì vậy gây lãng phí điện năng - Độ chính xác về tốc độ không cao. - Dòng điện khởi động cao do bánh xe và bộ ly hợp tạo ra.
2.3.5 Động cơ từ trở (động cơ phản kháng) (reluctance motor) Phân loại : - Động cơ từ trở đồng bộ (động cơ phản kháng đồng bộ) (synchronous reluctance motor-SYRM) - Động cơ từ trở chuyển mạch (động cơ phản kháng chuyển mạch (switched reluctance motor –SRM) = Động cơ từ trở thay đổi (động cơ phản kháng thay đổi ) (variable reluctance motor -VRM) - Động cơ bước từ trở thay đổi (variable reluctance stepper motor - VRSM) (đã có trong chương 2.3.2.3)
2.3.5.1. Động cơ từ trở đồng bộ a) Cấu tạo - Stato : dây quấn 1, 2, 3 pha - Rôto : khối sắt từ tạo ra xd ≠ xq, không có dây quấn . Một số kết cấu rôto : 1) rôto ghép từ các lá thép KTĐ trên đó có các chỗ lõm để xd ≠ xq, để khởi động trên rôto có đặt cuộn ngắn mạch lồng sóc 2) mômen mở máy tạo ra nhờ dòng điện xoáy phucô trên bề mặt 3,4) rôto làm bằng vật liệu không dẫn từ (nhôm) đúc với tập lá sắt từ 5) rôto ghép từ các lá thép từ trong lõi có các khoảng không được lấp đầy bằng vật liệu không dẫn từ (nhôm)
d q d q 1) 2) 3) Sắt từ Nhôm 4) 5)
b) Nguyên lý làm việc Ustato → Φquay, Φquay tác động N giống máy không đồng bộ tạo M N kđb Ft đồng thời là mômen mở máy làm rôto quay n < n1. Khi n ≈ n1 →  xuất hiện mômen phản kháng  Mfk = Mđb tác động kéo rôto với n = n . 1 F Đường Φ luôn có xu hướng duy trì t S đường đi ngắn nhất và lực duy trì S đó gọi là lực kháng từ bị uốn cong do lệch cực từ khi n ≠ n1, xuất hiện lực từ kéo roto về vị trí sao cho từ trở nhỏ nhất. Do xd ≠ xq, ΦStato bị uốn tạo lực tiếp tuyến Ft.
- Ưu điểm : cấu tạo đơn giản không cần nguồn điện MC, giá thành rẻ, dễ sử dụng - Nhược điểm: mômen mở máy không cao, cos thấp do Q lớn, từ trở của mạch từ lớn. Mômen tỷ lệ với bình phương điện áp làm cho ĐC rất nhạy với các dao động của điện áp lưới -Ứng dụng: +Bơm định lượng. +Máy đóng gói và gấp. +Thiết bị cân đối trên Bơm hoặc băng tải. +Thiết bị sản xuất sợi tổng hợp. +Gia công vật liệu tấm hoặc màng liên tục. 2.3.5.2. Động cơ từ trở chuyển mạch a) Cấu tạo: - Stato: dây quấn tập trung trên cực từ - Rôto: mạch từ có răng, không có dây quấn, không có nam châm. stato, rôto đều có dạng cực lồi
b) Nguyên lý làm việc Xem xét SRM 6/4: - Tại thời điểm cực từ roto r1 và r1’ thẳng hàng với cực từ stato c và c’, đưa dòng điện vào pha a sẽ sinh ra từ thông chạy theo hướng a-r2- r2’-a’, mômen sinh ra có xu hướng kéo cực từ roto r2 và r2’ về thẳng hàng với a-a’
- Khi r2-r2’ về thẳng hàng với a-a’, cắt điện pha a. -Đưa điện vào pha b, sẽ sinh ra từ thông chạy theo hướng b-r1’-r1-b’, mômen sinh ra có xu hướng kéo cực từ roto r1’- r1 về thẳng hàng với b-b’. - Tiếp tục với pha c-c’, và lặp lại quá trình trên rôto sẽ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ. - Nếu chuyển mạch dòng điện theo thứ tự acb, roto sẽ quay theo chiều ngược lại - Phân loại động cơ từ trở chuyển mạch (switched reluctance - SRM) : + ĐC từ trở chuyển mạch quay (rotary SRM) : * ĐC từ trở chuyển mạch từ trường hướng tâm (hướng kính) (radial field SRM)
Rotary SRM 8/6 Rotary SRM 10/8
* ĐC từ trở chuyển mạch từ trường dọc trục (axial field SRM)
* ĐC từ trở chuyển mạch một pha (single-phase SRM)
+ ĐCPKCM tuyến tính (linear SRM – LSRM):
- Ưu điểm: + Cấu tạo đơn giản, không có chổi than + Rotor không có dây quấn, không có nam châm trên rôto, do đó tiết kiệm vật liệu trên rôto, không phải bảo dưỡng. +Stato có dây quấn tập trung chi phí sản xuất nhỏ hơn so với các dây quấn phân tán trên máy XC hoặc thậm chí cả máy MC. + Tổn hao tập trung chủ yếu trên stato nên dễ làm mát. Tổn hao trên roto nhỏ hơn nhiều so với stato + Mômen khởi động lớn + Rôto nhỏ gọn, mômen quán tính nhỏ, đáp ứng nhanh, phù hợp với tốc độ cao + Có thể có tốc độ cao + Các dây quấn tách biệt với nhau về điện và vì chúng có sự liên kết lẫn nhau không đáng kể, sự cố điện trong một pha không ảnh hưởng đến các pha khác. Đặc điểm này là duy nhất trong động cơ từ trở chuyển mạch + Mạch chuyển đổi bán dẫn công suất đơn giản hơn + Dễ dàng điều chỉnh đặc tính mômen/tốc độ
- Nhược điểm: + Dao động mômen (có độ gợn sóng cao), 88 + Máy ồn +Tổn thất do ma sát và do gió lớn do rôto nhô ra (lồi lõm) ở tốc độ cao. Chúng có thể được giảm bằng cách làm cho bề mặt roto trơn tru bằng cách lấp đầy không gian giữa các rôto bằng vật liệu không từ tính + Cần có bộ nguồn điện tử công suất đi kèm động cơ và không có khả năng khởi động trực tiếp - Ứng dụng: + Thiết bị gia dụng, điều hòa, máy giặt, máy hút bụi, quạt + Máy công cụ cầm tay, bơm, quạt, + Hệ thống truyền động chống cháy cho môi trường dễ cháy nổ + Điều khiển robot
+ Máy dệt bao gồm: máy dệt thoi, máy dệt khăn, v.v. + Máy móc thiết bị trong lĩnh vực dầu mỏ: máy bơm trục đứng, máy bơm chùm, máy móc kiểm tra giếng + Máy ép cơ khí, kể cả máy ép trục vít. + Máy khai thác mỏ: máy cắt, băng tải, tời, máy khoan, máy nghiền quặng, máy nghiền than + Thiết bị công nghiệp: *Máy trộn thực phẩm *Máy nâng: thang máy, tời, băng tải *Thiết bị phát điện: điều khiển tải cánh quạt gió *Sản xuất nhựa: máy đùn, máy ép phun *Máy nghiền giấy *Máy cán kim loại *Máy quấn dây và tháo dây
2.3.6 Động cơ từ trễ (hysteresis motor-HTS) 2.3.6.1. Cấu tạo và đặc điểm B Thép thường Vành từ trễ Sắt từ thường Vật liệu từ cứngH
Stato: lá thép KTĐ và dây quấn 3 pha hoặc 1 pha để tạo nên TT quay Roto : làm bằng vật liệu từ cứng (chrome, thép coban hoặc alnico hoặc hợp kim) có đặc tính từ hoá mặt trễ lớn (vòng từ trễ rộng), không có cuộn dây. Lực ma sát phân tử vật liệu từ trễ lớn. Sau khi bị từ hoá nếu như cắt luồng từ hoá thì các thanh nam châm vẫn giữ các phần tử lưỡng cực theo thứ tự nhất định. Để tiết kiệm hợp kim đặc biệt, rôto gồm 2 phần: vòng hợp kim đặc hoặc các lá hợp kim ép lại được đặt lên ống thép hoặc ống nhôm.
2.3.6.2 Nguyên lý làm việc N S S N N S S N N S - Quá trình mở máy: Đặt điện áp XC vào stato có TT quay stato làm từ hoá lõi thép roto. Tương tác giữa TT quay stato và dòng điện xoáy cảm ứng trên bề mặt rôto (do TT quay stato) tạo nên Mkđb ban đầu làm quay rôto. ĐC khởi động như ĐC không đồng bộ.
- Quá trình làm việc: Xét thời điểm khi TT quay ở vị trí như hình a, roto bị từ hóa, các nam châm phân tử sẽ được sắp xếp định hướng theo chiều của từ trường. Tác dụng tương hỗ giữa TT stato và roto tạo nên lực hướng kính F theo phương TT stato và không tạo nên mômen quay. Ở thời điểm tiếp theo (hình b), TT quay stato quay đi một góc, nhưng do ma sát của các phần tử ở vật liệu có vòng từ trễ rộng, các nam châm phân tử không xoay kịp cùng với TT stato và chậm sau. Lực tương hỗ F lúc này ngoài thành phần hướng kính còn có thành phần tiếp tuyến kéo roto quay. Khi tốc độ rôto tốc độ TT quay, xuất hiện lực Fđb tạo nên mômen từ trễ kéo rôto quay = tốc độ TT quay. ĐC làm việc như ĐC đồng bộ
- Ưu điểm: + So với ĐC NCVC giá rẻ. + Cấu tạo đơn giản, rôto không có răng rãnh, không có dây quấn mở máy, không có tiếng ồn, không tạo từ trường sóng bậc cao. - Nhược điểm: +Động cơ trễ có công suất đầu ra chỉ bằng một phần tư công suất đầu ra của động cơ cảm ứng có cùng kích thước. +Hiệu suất thấp +Mô-men quay thấp. +Hệ số công suất thấp (0,3-0,45) +Loại động cơ này chỉ chế tạo với kích thước rất nhỏ. - Ứng dụng của động cơ từ trễ: +Thiết bị sản xuất âm thanh +Dụng cụ ghi âm +Máy ghi âm chất lượng cao +Thiết bị hẹn giờ +Đồng hồ điện +Máy gõ chữ