Giáo trình Máy điện 1 - Phần 4: Máy điện đồng bộ - Chương 7: Máy điện đặc biệt

Nội dung text: Giáo trình Máy điện 1 - Phần 4: Máy điện đồng bộ - Chương 7: Máy điện đặc biệt

1. 198 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MƠN: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008
2. 199 Chƣơng 7 MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT Động cơ điện xoay chiều một pha cĩ vành gĩp nĩi chung cĩ kết cấu tương tự như MĐMC thơng thường, chỉ khác là điện áp đặt vào là điện áp xoay chiều một pha. Động cơ nầy được dùng nhiều. 7.1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT PHA CĨ VÀNH GĨP 7.1.1. sđđ biến áp và sđđ quay 1. Khái niệm về sđđ biến áp và sđđ quay Khi đưa điện áp xoay chiều một pha vào dây quấn phần ứng của máy điện xoay chiều cĩ vành gĩp, nĩi chung trong chúng cĩ hai loại sđđ cảm ứng: + Sđđ kiểu nhƣ mba gọi là sđđ biến áp Eba, vì sự liên hệ giữa dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng qua từ trường xoay chiều cũng tương tự như sự liên hệ giữa các dây quấn sơ cấp và thứ cấp của mba. + Sđđ do phần ứng quay gây nên gọi là sđđ quay Eq, vì khi phần ứng quay các thanh dẫn sẽ cắt các đường sức từ trường và gây nên sđđ cảm ứng giống như trong máy điện một chiều thơng thường. 2. Xét sđđ biến áp Giả sử khi đặt điện áp xoay chiều vào dây quấn kích thích K ở phần tỉnh máy điện xoay chiều một pha (hình 7.1), từ thơng  do nĩ sinh ra sẽ đập mạch với tần số f của lưới điện.   U K K  U  m / 2 Ebamax E E = 0 ba (a) (b) (c) Hình 7.1 Sđđ biến áp do từ thơng m sinh ra trong dây quấn phấn ứng khi n = 0 Giả thiết phần ứng đứng yên (n = 0): hiện tượng xảy ra như trong mba, ở đây dây quấn sơ cấp là dây quấn kích thích cịn dây quấn thứ cấp là dây quấn phần ứng. Các thanh dẫn của dây quấn phần ứng ở hai bên trục của dây quấn kích thích sẽ cảm ứng sđđ trái dấu nhau.
3. 200 + Khi chổi than AB trên đường trung tính hình học: Eba = 0 + Khi chổi than AB đặt dọc trục dây quấn kích từ: Eba, max Về tần số và trị số hiệu dụng của sđđ biến áp: - Tần số f : là tần số f của lưới điện của điện áp xoay chiều. - Trị hiệu dụng sđđ biến áp: Eba 2fNk dqm Trong đĩ: kdq = hệ số dây quấn N = số vịng dây của một nhánh dây quấn phần ứng. + Khi chổi than AB dịch khỏi đường trung tính hình học một gĩc : Eba( ) = Ebasin (7.1) Cịn khi phần ứng quay: Sđđ Eba khơng đổi, giống như khi đứng yên, cịn tần số của Eba là fba bằng tần số f của lưới điện. 3. Xét sđđ quay  t Giả thiết từ thơng m = C và phần ứng U K quay với tốc độ n, như vậy máy giống máy điện một chiều thơng thường. Vậy Sđđ cảm ứng trong dây quấn phần ứng đã cĩ ở máy điện một chiều như: pN Eba( ) E  n (7.2) q 60a m Ta thấy: Sđđ Eq phụ thuộc vào n và m Trong phần tử dây quấn sđđ nầy pn cĩ tần số f Hình 7.2 Sđđ Eba sinh ra trong dây quấn q 60 phấn ứng khi dịch chổi than khỏi đường trung tính hình học một gĩc Trên chổi than sđđ một chiều, nên tần số : f = 0. Eq = Eqmax khi chổi than trên đường trung tính hình học. Eq = 0 khi chổi than trên trục cực từ. Cịn khi chổi than lệch khỏi đường trung tính hình học gĩc . Eq( ) Eq cos (7.3) Thực tế, từ thơng m đập mạch với tần số f và phần ứng quay n, ta thấy: Trong mỗi phần tử tồn tại hai sđđ: + Sđđ biến áp cĩ tần số fba = f, là tần số của lưới điện. pn + Sđđ quay cĩ tần số f q 60 Trên chổi than A-B, sđđ biến áp Eba và quay Eq cĩ tính chất khác hẳn nhau và ta thấy như sau: + Nếu chổi than đặt trên đường trung tính hình học: sđđ biến áp Eba = 0 cịn sđđ quay Eq ở tốc độ xác định thì: Eq  nm  m (7.4)
4. 201 Từ (7.4), ta thấy từ thơng m đập mạch với tần số f thì sđđ quay Eq cũng đập mạch với tần số f. Tốc độ quay n chỉ làm thay đổi chiều và trị số của sđđ quay Eq chứ khơng ảnh hưởng đến tần số f. + Trường hợp chổi than dịch khỏi đường tthình học một gĩc : Sđđ tổng EA-B cĩ tần số f và bằng: 2 2 2 2 EA B Eba sin Eq cos (7.5)  U K (+n)  m n (-n)  Eq Eq (b) (a) Hình 7.3 Sđđ quay Eq sinh ra trong dây quấn phấn ứng do từ trường đập mạch. Kết luận, dưới tác dụng của điện áp xoay chiều một pha, ở trên đầu chổi than ta được sđđ tổng gồm sđđ biến áp và sđđ quay cĩ tần số f của nguồn kích từ, cịn vị trí chổi than và tốc độ quay phần ứng chỉ làm thay đổi trị số và chiều của sđđ chứ khơng ảnh hưởng đến tần số f. 7.1.2. ĐỘNG CƠ NỐI TIẾP MỘT PHA 1. Sơ lƣợc cấu tạo và nguyên lý làm việc Cấu tạo Nĩi chung cấu tạo (hình 7.4a) của động cơ nối tiếp một pha khơng khác máy điện một chiều kích từ nối tiếp thơng thường. Chú ý là cực từ được làm bằng thép kỹ thuạt điện để giảm tổn hao dịng xốy và từ trễ. Trên cực từ cĩ quấn dây quấn kích từ K, dây quấn bù B và dây quấn cực từ phụ F để cải thiện đổi chiều như máy điện một chiều thơng thường. Sơ đồ nối dây của động cơ một pha kích từ nối tiếp được trình bày trên hình 7.4b. Khi đặt điện áp xoay chiều U một pha vào động cơ, từ thơng  của cuộn kích từ nối tiếp tác dụng lên dịng điện I chạy trong dây quấn phần ứng tạo nên mơmen làm động cơ quay. U  K
5. 202 2. Mơmen của động cơ Gọi: iỉ Iỉm sint : dịng tức thời của phần ứng;  m sin(t ) : từ thơng kích thích tức thời. Trong đĩ:  là gĩc lệch pha của  và iư. Giống máy điện một chiều, ta cĩ trị số tức thời của mơmen là : M C i  t M ỉ Mt CMIỉm sint.m sin(t ) Mơmen trung bình: 1 T 1 2 Mtb Mtdt Mtd(t) T 0 2 0 C M M I  cos C I cos (7.6) tb 2 ỉm m M ỉ Trong đĩ: Iư = trị hiệu dụng của dịng điện phần ứng.  = trị hiệu dụng của từ thơng kích thích. Mt  Mtb m t 0 2 Hình 7.5 Đường cong dịng điện, từ  thơng và mơmen của động cơ điện iư  nối tiếp một pha 3. Đồ thị vectơ Giả thiết: + Động cơ quay với tốc độ n, và + Chổi than đặt trên đường trung tính hình học
6. 203  U   jXI jXI Hình 7.6 Đồ thị vectơ của  động cơ điện kích thích jX I I k nối tiếp một pha RI  m - E q Ta cĩ phương trình cân bằng điện áp:     U Eq jI(XK X) IR     U Eq jIX IR (7.7) trong đĩ: U = Điện áp đặt vào động cơ. Eq = Sinh ra bởi từ thơng m ngược pha với m vì lv chế độ động cơ. I = dịng điện chạy trong dây quấn vượt trước m một gĩc . XK = điện kháng tồn phần của dây quấn kích từ. X = Tổng điện kháng của dây quấn phần ứng, dây quấn bù, dây quấn cực từ phụ. R, X = Tổng điện trở và điện kháng của dây quấn kích thích, phần ứng, dây quấn bù, cực từ phụ. 4. Các đặc tính làm việc a) Đặc tính cơ động cơ Đặc tính cơ của động cơ là quan hệ của tốc độ với mơmen n=f(M) như trình bày trên hình 7.7 1.5 n U=100% n âm 90% 80% 0.5 70% 60% 40% 50% Hình 7. 7 Đặc tính cơ n = f(M) ở các trị số điện áp M/Mđm khác nhau của động cơ nối tiếp một pha 0 0.5 1 1.5 2 Hình 7.7 vẽ một họ đặc tính cơ với các điện áp khác nhau. Từ đồ thị cho thấy khi điện áp bằng với điện áp định mức thì mơmen mở máy rất lớn, cịn điện áp càng giảm thì đặc tính cơ càng thấp, vì vậy khi thay đổi điện áp U ta cĩ thể điều chỉnh tốc độ quay và mở máy một cách dễ dàng.
7. 204 b) Đặc tính  và cos = f(M) Đặc tính hiệu suất và hệ số cơng suất của động cơ là quan hệ của hiệu suất và hệ số cơng suất với mơmen,  và cos =f(M) như trình bày trên hình 7.8 , cos 1 cos U=100% 80% 70% 0.5  60% 40% 50% M/Mđm 0 0.5 1 1.5 Hình 7.8 Đặc tính  và cos = f(M) ở các trị số điện áp khác nhau của động cơ nối tiếp một pha Trên hình 7.8, trình bày một họ đặc tính các quan hệ , cos = f(M) với các điện áp khác nhau. Từ đồ thị cho thấy khi điện áp càng giảm thì cả hiệu suất và cos đều giảm. Để nâng cao hệ số cơng suất cos ta cĩ thể giảm điện kháng bằng cách giảm khe hở khơng khí hoặc dùng dây quấn bù. 5. Ứng dụng Động cơ điện cĩ vành gĩp một pha với cơng suất lớn dùng trong điện khí hĩa đường sắt, cịn cơng suất nhỏ dùng rộng rãi C K trong cơng nghiệp và dân dụng với yêu cầu tốc độ cao như máy mài, máy khoan, máy hút bụi, máy lau nhà, máy khâu Hình 7.9 vẽ sơ đồ động cơ kích thích U U nối tiếp vạn năng, nghĩa là cĩ thể làm việc với nguồn điện cung cấp xoay chiều hoặc C một chiều. Khi dùng điện áp một chiều, vì khơng cĩ điện áp rơi trên điện kháng nên K với cùng trị số điện áp thì tốc độ quay sẽ lớn hơn. Để tốc độ quay khơng đổi người ta lấy đầu ra cho điện áp một chiều và xoay chiều khác nhau. Tụ điện C dùng để chống Hình 7.9 Sơ đồ nguyên lý của động cơ kích thích nối tiếp vạn năng nhiễu vơ tuyến điện. 7.2. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHƠNG CHỔI THAN (BLDC) Động cơ BLDC hay cịn gọi là động cơ một chiều khơng chổi than lần đầu tiên xuất hiện năm 1962 khi T.G. Wilson và P.H. Trickey chế tạo một ra động cơ
8. 205 điện DC đổi chiều dùng thiết bị bán dẫn. Sau đĩ, cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử cơng suất cùng với các mạch điện tử, các vi xử lý đi kèm nên nĩ được phát triển nhanh chĩng và đưa vào ứng dụng trong nhiều nghành cơng nghiệp như tự động hĩa, vũ trụ, tiêu dùng, thiết bị y tế vv Động cơ BLDC được ứng dụng rộng rãi và thay thế các động cơ khác trong các truyền động chính xác bởi vì nĩ cĩ các ưu điểm là cĩ đặc tính cơ tốt , đáp ứng tải tốt, hiệu suất cao, tuổi thọ cao, khơng cĩ tiếng ồn khi làm việc và dã i tốc độ vận hành lớn. 7.2.1. Cấu tạo của động cơ BLDC Động cơ BLDC ba pha cĩ cấu tạo tương tự như động cơ điệ n đờ ng bợ ba pha kích thích dùng nam châm vĩnh cửu, gồm hai bộ phận chính là stator và rotor. Hình 7.10 : Cấu tạo đợ ng cơ BLDC Stator (hình 7.11) gờ m lõ i thé p, dây quấ n và vỏ má y . Lõi sắt cĩ cấu tạo giống như máy điện xoay chiều 3 pha, trong lõ i thé p có dậ p cá c rã nh để đặ t dây cuốn phần ứng . Dây quấn phầ n ứ ng gồm các cuộn dây đặt trong các rã nh của stator được nối thà nh hình sao hoặc hì nh tam giác.
9. 206 Rotor như trên hì nh 7.12, thực chất là nam châm vĩnh cửu, nĩ từ 2 đến 8 cực được phân bố xen kẻ. Dựa trên yêu cầu về mật độ từ thơng trên rotor, vật liệu từ thích hợp sẽ được chọn để làm rotor. Người ta thường sử dụng ferrite hoặc đất hiếm để làm nam châm vĩnh cửu. Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục của động cơ cĩ dạng hình trụ rỗng. Cĩ nhiều cách đặt và bố trí nam châm khác nhau lên trục của động cơ . Trên hì nh 7.12 trình bày một vài cách thơng dụng thường dùng cho BLDC (a) (b) (c) Hình 7.12 : Cấu tạo Rotor động cơ BLCD Ta thấy các phiến nam châm cĩ thể dán ở phía trong lõi (hình 7.12b,c) hay trên bề mặt lõi (hình 7.12a). Các phiến nam châm cũng cĩ thể cĩ dạng chữ nhật (hình 7.12b) hay lưỡi liềm (hình 7.12a). Hall Sensor khác với động cơ mợ t chiề u cĩ chổi than , đổi chiều của động cơ BLDC được điều khiển bởi mạch điện tử. Để quay động cơ BLDC, các cuộn dây stator phải được cấp nguồn một cách tuần tự. Để thực hiện được việc đĩ, điều quan trọng là phải biết vị trí của của rotor để xác định được thứ tự của các cuộn dây được cấp điện. Vị trí rotor sẽ được giám sát bởi cảm biến từ hiệu ứng Hall gắn trên stator . Hầu hết động cơ BLDC cĩ 3 cảm biến Hall gắn trên startor ở phần khơng chuyển động của động cơ. Bất cứ khi nào cực từ của rotor quay ngang qua Hall sensor sẽ tạo ra 1 tín hiệu ở mức cao hoặc thấp, cho biết vị trí của cực S hoặc N đang đi ngang qua sensor. Dựa trên sự phối hợp của 3 Hall sensor này ta sẽ xác định được thời điểm cũng như cuộn dây nào sẽ được cấp năng lượng. 7.2.2. Mơ hì nh tốn động cơ BLDC :
10. 207 Để mơ tả tốn học mơ hình của động cơ BLDC ta cĩ sơ đồ điện như trì nh bày trên hình 7.13. Ở đây phương trình động cơ BLDC tương tự như động cơ đồng bộ kích từ dùng nam châm vĩnh cửu, từ thơng hình sin: di u e R i (L M) Sa Sa a S Sa S dt diSb uSb eb RSiSb (LS M) (7.8) dt diSc uSc ec RSiSc (LS M) dt Hình 7.13 Mơ hình mạch động cơ BLCD Cơng suất tiêu thụ của động cơ là: P eaisa ebisb ecisc MΩR (7.9) Suy ra mơmen điện từ của động cơ: e i e i e i M a sa b sb c sc (7.10) ΩR Phương trình động học của động cơ sẽ là: dΩR 1 dΩs 1 ea isa ebisb ecisc ( Ml ) (7.11) dt Zp dt j ΩR Các giá trị suất điện động ea; eb; ec cĩ dạng hình thang và lệch nhau các gĩc lần lượt là: 0; 2 /3; 4 /3 ea epΩR e(θR ) eb epΩR e(θR 2π / 3) (7.12) ec epΩR e(θR 4π / 3)
11. 208 6θ π π R khi θ π 6 R 6 π 5π 1 khi θ 6 R 6 Với e θR (7.13) 6(θR π) 5π 7π khi θR π 6 6 7π 11π 1 khi θ 6 R 6 Hình 7.14 : Đồ thị dạng sĩng của các sứ c điện động Phương pháp điều khiển kinh điển sẽ điều khiển động cơ trực tiếp trên mơ hình toạ độ stator. Phương pháp này dựa trên đặc điểm suất điện động hình thang của động cơ BLDC, từ đĩ sẽ điều chỉnh dịng điện các pha a, b, c cĩ dạng những hình chữ nhật, do đĩ sẽ cĩ được mơmen khơng đổi nhờ cơng thức: 1 M (ea isa ebisb ecisc) (7.14) ΩR Nhưng cũng chính việc tạo dịng điện hình chữ nhật cũng gây khơng ít những hạn chế, do trong một chu kỳ cĩ sáu lần chuyển mạch nên mơmen cũng bị đập mạch theo, điều này dẫn đến một chất lượng mơmen xấu và truyền động servo của động cơ BLDC cũng vì lẽ đĩ mà ít được dùng. 7.2.3. Điều khiển động cơ BLDC theo phƣơng pháp kinh điển 1. Nguyên lý làm việc của nghịch lưu Khác với phương pháp điều chế vector như đã biết dùng để điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, trong bài tốn điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp kinh điển thì tại mỗi một thời điểm trong ba cuộn dây A, B, C chỉ cĩ hai cuộn nối với nguồn điện cịn cuộn thứ ba sẽ khơng nối. Để phân tích việc điều khiển cũng là nguyện lý làm việc của động cơ BLDC, ta cĩ sơ đồ bộ nghịch lưu dịng trình bày trên hình 7.15.
12. 209 Hình 7.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ BLDC Bộ điều khiển dịng trên hình 7.15, là một khâu relay cĩ trễ giúp cho giá trị dịng thực của động cơ bám với giá trị dịng đặt. Ví dụ: Với pha A - Khi giá trị dịng điện đặt lớn hơn giá trị dịng điện thực một giá trị e thì: * IIAA thì van cung cấp giá trị dương cho dịng IA sẽ được mở ra và van âm sẽ đĩng lại, trong sơ đồ hình 1 thì đĩ là van T1 (qui ước giá trị dịng dương là đi ra của bộ điều khiển và đi vào của động cơ) và van T4 cung cấp giá trị âm đồng thời bị đĩng lại. Khi đĩ dịng IA sẽ tăng lên nhờ cĩ mạch nghịch lưu nối điện (+) vào pha A * - Khi giá trị dịng đặt nhỏ hơn giá trị dịng thực một giá trị thì: IIAA thì van cung cấp giá trị âm cho dịng IA sẽ được mở ra, van dương đĩng lại, tức là T1 đĩng, T4 mở. Khi đĩ dịng IA sẽ tăng lên nhờ cĩ mạch nghịch lưu nối điện (+) vào pha A Các pha B,C cũng hồn tồn tương tự. Giá trị là do tuỳ chọn, nếu càng nhỏ thì càng nhanh vào xác lập nhưng các giá trị điều khiển cũng sẽ bị dao động nhiều hơn, vì vậy cần lựa chọn cho hợp lý. Thường chọn vào cỡ 0,2 cho đến 1 A (Ampe). Một chú ý nữa là phương pháp này coi đối tượng BLDC giống như động cơ một chiều nên chỉ sử dụng 2 pha trong một thời điểm để điều khiển động cơ. Vì thế khi dịng đặt của pha nào bằng khơng thì pha đĩ sẽ bị cách ly khỏi mạch tức là 2 van nối với pha đĩ đều đĩng. * Ví dụ: Khi IA 0 thì các van T1,T4 đều đĩng * IB 0 thì các van T3,T6 đều đĩng * IC 0 thì các van T2,T5 đều đĩng
13. 210 Việc đĩng mở các van để tạo nên trình tự này phụ thuộc vào vị trí hiện tại của rotor. Các gĩc 60o là các thời điểm quan trọng và các giá trị dịng đặt sẽ thay đổi tác động lên khâu relay điều chỉnh các van PWM. Sau đây là trình tự dẫn của các van transistor: TT 1 2 3 4 5 6 T1 1 1 0 0 0 0 T2 0 1 1 0 0 0 T2 0 0 1 1 0 0 T4 0 0 0 1 1 0 T5 0 0 0 0 1 1 T6 1 0 0 0 0 1 2 Ea T1 3 T1 t 0 T4 T4 E b T3 T3 t 0 T6 T6 Ec T5 0 t T2 T2 6 T1 T6 T1 T2 T2 T3 T3 T4 T4 T5 T5 T6 T6 T1 2 Hình 7.16 Giá trị suất điện động và dịng đặt của động cơ BLDC Do đặc tính dẫn dịng điện trùng với sức điện động vì vậy khoảng dẫn của mỗi van trong nghịch lưu là 2 /3. Trình tự dẫn van là T1-T2, T2-T3, T3-T4, T4-T5, T5-T6, T6-T1. Như vậy trong một chu kỳ dẫn van sẽ chuyển mạch 6 lần. Sau đây là phương pháp điều chế độ rộng xung. Dạng của dịng điện và sức điện động được minh hoạ trên hình hình 7.16
14. 211 2. Điều khiển tốc độ động cơ Giá trị dịng điện một chiều là đại lượng đầu ra của khâu điều khiển tốc độ, khi thay đổi giá trị dịng một chiều thì đồng nghĩa với việc thay đổi tốc độ và mơmen của động cơ. Điều đĩ khiến ta liên tưởng đến động cơ một chiều. Giá trị dịng một chiều được đặt cho bộ điều khiển dịng điện như đã nĩi ở trên để tạo ra các dịng điện 3 pha cĩ dạng hình chữ nhật. Giá trị đo tốc độ cĩ thể lấy được từ bộ phận encoder hoặc máy phát tốc. Thường động cơ được cấp thêm cảm biến Hall để nhận biết gĩc quay 60o và chuyển mạch ở khâu điều khiển dịng như đã nĩi ở trên. 7.3. ĐỘNG CƠ BƢỚC Động cơ bước (stepping motor) là cơ cấu chấp hành được thiết kế quay theo gĩc xác định gọi là bước gĩc với mỗi xung điện được cấp cho stator từ bộ điều khiển. Động cơ bước được sản xuất theo tiêu chuẩn bước gĩc hoặc theo cơng suất. Dải bước gĩc của động cơ từ 0,720 đến 900 tương ứng với 1,80, 7,50, 150, 900. Động cơ bước được dùng trong hệ thống điều khiển vị trí dạng số theo chế độ hở. Các lệnh vào là dạng dãy xung làm quay trục theo gĩc xác định. Động cơ bước cĩ thể điều khiển cả về vị trí và tốc độ (dải tốc độ từ 0-300 vịng/phút) mà khơng cần mạch phản hồi vẫn đảm bảo độ chính xác vị trí. Với cơng nghệ hiện nay, cơng nghiệp đã sản xuất được động cơ bước lớn nhất là 2kW. Sử dụng động cơ bước cĩ nhiều ưu điểm, một là tương tích với hệ thống điều khiển trực tiếp bằng mạch số; hai là khơng cần bộ cảm biến vị trí và tốc độ mà nhận trực tiếp bằng cách đếm xung vào và đếm tuần hồn nếu cần thơng tin về tốc độ; ba là ít gây tiếng ồn và sai số tích lũy chiều dài chuyển động. Động cơ bước điều khiển tín hiệu số được sử dụng khá rộng rãi trong máy điều khiển số NC, máy in, robot, máy photocopy và các máy khác. Động cơ bước cĩ ba kiểu: động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (Permanent Motor), động cơ bước cĩ từ trở biến đổi VRM (Variable reluctance stepper Motor) và động cơ bước kết hợp từ hai loại động cơ bước PM và VR gọi là động cơ bước lai (hybrid stepper Motor). Do cĩ sự phát triễn của hệ thống điều khiển nên kiểu động cơ lai ngày càng được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp. Sau đây trình bày nguyên lý làm việc, kết cấu và hệ điều khiển cho từng loại động cơ bước. Bước gĩc ứng với một xung vào phụ thuộc vào kết cấu của động cơ bước và hệ thống điều khiển được sử dụng. Bước cĩ bước gĩc 450 cho ta số bước ứng với một vịng quay là 3600/450 = 8 bước; bước cĩ bước gĩc 1,80 cho ta số bước ứng với một vịng quay là 3600/1,80 = 200 bước; v. v Gĩc tổng được quay bởi rotor bằng bước gĩc nhân với số bước. Cơng thức trong trường hợp trên là; Bước/ vịng = 3600/ (7.15)  =  bước (7.16) Trong đĩ:  = bước gĩc  = tổng gĩc quay của động cơ Tốc độ của động cơ bước là hàm của bước gĩc và tần số bước:
15. 212 β f n (7.17) 360 Trong đĩ: n = tốc độ (vịng/s) f = tần số bước (xung/s) 7.3.1. Động cơ bƣớc PM Hình 7.17 trình bày động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (Permanent Magnet stepper motor) cĩ hai cặp cuộn pha A và B được lắp đặt đối xứng nhau qua rotor. Rotor làm bằng vật liệu ferit hoặc đất hiếm được từ hĩa vĩnh cửu. Nguyên tắc điện động cơ bước này giống như động cơ đồng bộ ba pha. Pha B trên stator lệch pha với A một gĩc 900. Khi hích thích pha A, các cực rotor- stator thẳng hàng (hình 7.17a). Nếu pha B cũng được kích thích, các cực rotor sẽ dịch chuyển theo chiều kim đồng hồ một gĩc 22,50 (hình 7.17b). Nếu khử kích thích pha A và pha B vẫn giữ kích thích, rotor sẽ chuyển động tiếp một gĩc 22,50. Đảo chiều dịng điện pha B, rotor sẽ chuyển động theo chiều ngược lại, do đĩ dễ dàng hình dung phương pháp đảo chiều chuyển động rotor. Để đơn giản hĩa qui trình chuyển nạch điện tử trên stator, trên stator ta đặc hai cuộn dây cho một pha. A 1 N N B1 S S S N S N S N N N S S A2 B2 (a) (b) (c) Hình 7.17 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 7.3.2. Động cơ bƣớc VR Động cơ từ trử biến thiên (variable reluctance stepper motor) cũng được hình thành trên cơ sở của động cơ PM gồm stator và rotor. Kết cấu stator trên từng pha của động cơ VR giống động cơ PM, gồm nhiều đoạn- stator cĩ chung vỏ máy và rotor cĩ chung một trục. Cấu tạo các rãnh và rãnh stator-rotor được trình bày trên hình 7.17a. Cở răng và số răng trên stator-rotor bằng nhau. Các đoạn trên stator cĩ dây quấn kích thích, cịn rotor thì khơng. Mạch điện đơn giản cấp điện cho stator trình bày trên hình 7.17b. Tám cuộn dây stator nối đến nhĩm hai cuộn dây hình thành bốn mạch điện độc lập gọi là pha. Mỗi pha cĩ nối đến một cơng tắc K, ở đây trình bày là cơng tắc cơ khí nhưng trong thực tế cơng tắc K là chuyển mạch điều khiển điện tử.
16. 213 A A’ K1 B B’ K2 C C’ K3 D D’ K4 E (a) (b) Hình 7.18 Động cơ bước từ trở biến đổi Lúc đầu cấp điện cho dây quấn pha B stator, rotor bị kéo đến vị trí cĩ từ trở cực tiểu gần nhất, là vị trí các răng stator và rotor thẳng hàng như trình bày trên hình 7.17a. Răng 6 và 3 của rotor thẳng hàng với B và B’ stator. Để rotor quay theo chiều kim đồng hồ ta cấp điện cho cuộn C, tại thời điểm này từ trở trong động cơ lớn, mơmen từ tác động lên trục rotor làm rotor quay theo chiều giảm từ trở. Và rotor quay theo cho tới khi từ trở nhỏ nhất, răng 5 và 2 của rotor thẳng hàng với C và C’ stator, mơmen bằng khơng, trục động cơ đứng yên. Rotor ở vị trí cân bằng mới. Nếu cấp điện cho các cuộn dây lần lược BCDAB rotor quay từng bước theo chiều kim đồng hồ. Muốn rotor quay theo chiều ngược lại ta cung cấp điện cho các cuộn dây theo thứ tự BADCB. Lưu ý rằng rotor của động cơ làm bằng thép non nên khi mất điện rotor khơng cĩ từ dư vì vậy khơng bị hãm nên quay tự do dưới tác dụng của tải. Đây là nhược điểm của loại động cơ này. 7.3.3. Động cơ bƣớc kiểu lai Thực chất động cơ bước kiểu lai (hybride stepping motor) là đặc trưng cấu trúc của cả hai động cơ bước nam châm vĩnh cửu với đặc tính cấu trúc xếp chồng răng rotor theo kiểu động cơ từ trở. Stator và rotor động cơ kiểu lai đang khảo sát cũng giống như động cơ VR, chia thành hai đoạn. Cấu trúc chi tiết được trình bày trên hình 7.19. Động cơ kiểu lai cĩ thêm nam châm vĩnh cửu được đặt dọc trục giữa hai đoạn rotor cĩ dạng mặt trụ hình khuyên. Các đoạn rotor được làm bằng thép non và tạo răng ép vào trục rotor. Vì cĩ nam châm vĩnh cửu nên tất cả các răng ở một đầu rotor trên một đoạn cĩ cùng cực tính và các răng ở đoạn đầu kia rotor cĩ cực tính ngược lại. Hai bộ răng này lệch nhau nửa bước răng. Số răng trên
17. 214 stator và rotor động cơ bước VR bằng nhau, nhưng đối với động cơ kiểu lai số răng trên rotor nhiều hơn số răng trên stator. Về nguyên lý làm việc, ta xét pha A stator được cấp điện để cực từ trên stator (hình 7.20) là cực N và cực từ đưới là cực S. Khi răng gần nhất (cực S) của đoạn rotor phía trước được kéo vào vị trí khĩa với cực từ N stator, đồng thời ở phía dưới stator răng rotor (cực N) được kéo vào vị trí và khĩa với cực từ S stator. Rotor ở vị trí này, cĩ lực đẩy cân bằng nhau, nên đây là vị trí ổn định và tổng mơmen trên trên rotor bằng khơng. Nắp sau Vỏ máy Dây quấn stator Vít lắp Hai đoạn răng rotor Nam châm vĩnh cửu Nắp trước Hình 7.19 Động cơ bước kiểu lai Nếu cấp điện chuyển từ pha A sang pha B, cực từ stator bên phải là cực N và bên trái là cực S, rotor sẽ quay theo chiều kim đồng hồ đến vị trí khĩa mới, nếu cấp điện theo chiều ngược lại, rotor sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ. Nếu cắt điện rotor vẫn tiếp tục giữ vị trí cũ. Động cơ lai ghép cĩ bước chính xác hơn động cơ nam châm vĩnh cửu khi tăng số răng xếp chồng và cộng thêm cặp xếp trên rotor. Pha A 1 Đánh dấu Stator N Pha B1
18. 215 Trong thực tế, trên các cực từ người ta lắp hai cuộn dây để cĩ thể dễ dàng thay đổi cực tính.    CÂU HỎI ƠN TẬP 1. Khi đưa điện áp xoay chiều một pha vào động cơ xoay chiều một pha cĩ vành gĩp thì trong đĩ xuất hiện các sđđ nào, tính chất của chúng ra sao?
19. 216 2. Tình bày nguyên lý làm việc và cách vận hành của loại động cơ nối tiếp một pha? 3. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ BLDC. 4. Động cơ bước cĩ ưu điểm gì mà được sử dụng nhiều trong hệ điều khiển. 5. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của các động cơ bước   
20. 217 SÁCH THAM KHẢO [1] Charles I. Hubert P.E., Electric Machines - Theory, Operation, Applications, Adjustment and Control, Prentice Hall, 2002. [2] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu. Máy điện 1,2. NXB Khoa học kỹ thuật 1997, 1998, 2001, 2003, 2005, 2006. [3] Trần Văn Chính . Máy điện tập 1,2. NXB Giáo dục 1996. [4] Nguyễn Thế Sang, Nguyễn Trọng Thắng. Máy điện và Mạch điều khiển. NXB Thống kê 2003. [5] Nguyễn Hồng Thanh, Nguyễn Phúc Hải. Máy điện trong thiết bị tự động. NXB Giáo dục 1999. [6] A.I. Boльдeк. Электричекие машины. Энepгия, Mocквa 1978. [7] A.V. IVANOV, SMOLENSKI. Máy điện tập I, II, III. Vũ Gia Hanh và Phan Tử Thụ biên dịch, NXB Khoa học kỹ thuật 1992. [8] A. Э. Бpycкин, A.E. Зopoxoвич, B.C.Xвocтов, Электричекие машины и микрoмашины, Mocквa, Bыcшaя шкoлa 1981. [9] B.C. SEN, Principles of electric machines and power electronics, John Wiley & Son 1997 [10] Mulukutla S. Sarma, Electric Machines, PWS Publishing Company, 1996 MỤC LỤC Chƣơng 1 NGUYÊN LÝ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2
21. 218 1.1 Đại cương về máy điện đồng bộ 1.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ 1.3 Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng bộ 1.4 Tư trường trong máy điện đồng bộ 1.5 Máy điện đồng bộ cực ẩn 1.6 Máy điện đồng bộ cực lồi 1.7 Đơn vị tương đối máy điện đồng bộ 1.8 Bài tập và câu hỏi ơn tập Chƣơng 2 VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 39 2.1 Đặc tính của máy phát điện đồng bộ 2.2 Máy phát điện đồng bộ làm việc song song 2.3 Đặc tính điều tốc của động cơ sơ cấp 2.4 Phương pháp dừng máy an tồn 2.5 Dùng tam giác đặc tính để giải các bài tốn về MF làm việc song song 2.6 Phân phối cơng suất cho các MF làm việc song song 2.7 Động cơ điện đồng bộ 2.8 Dùng ĐB để năng cao hệ số cơng suất 2.9 Ảnh hưởng của thay đổi tải đén các than số 2.10 Tổn hao và hiệu suất máy điện đồng bộ 2.11 Máy bù đồng bộ 2.12 Thí nghiệm máy điện đồng bộ 2.13 Bài tập và câu hỏi ơn tập Chƣơng 3 QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 86 3.1 Khái niện và các giả thiết 3.2 Ngắn mạch đột nhiên ba pha 3.3 Câu hỏi ơn tập Chƣơng 4 NGUYÊN LÝ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 94 4.1 Đại cương về máy điện một chiều 4.2 Cấu tạo máy điện một chiều 4.3 Dây quấn phần ứng máy điện một chiều 4.4 Các đại lượng định mức của máy điện một chiều 4.5 Nguyên lý làm việc máy điện một chiều 4.6 Quan hệ điện từ trong máy điện một chiều 4.7 Phân loại máy điện một chiều theo phương pháp kích thích 4.8 Phản ứng phần ứng máy điện một chiều 4.9 Đổi chiều trong máy điện một chiều 4.10 Các phương pháp cải thiện đổi chiều 4.11 Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng 4.12 Câu hỏi ơn tập và bài tập Chƣơng 5 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU 133 5.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập 5.2 Máy phát điện một chiều kích từ song song 5.3 Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp
22. 219 5.4 Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp 5.5 Bài tập và câu hỏi ơn tập Chƣơng 6 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 162 6.1 Đại cương 6.2 Động cơ điện một chiều kích từ song song 6.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 6.4 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 6.5 Mở máy động cơ một chiều 6.6 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 6.7 Bài tập và câu hỏi ơn tập Chƣơng 7 MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT 198 7.1 Động cơ điện xoay chiều một pha cĩ vành gĩp 7.2 Động cơ một chiều khơng chổi than (BLDC) 7.3 Động cơ bước 7.4 Câu hỏi ơn tập BÀI TẬP TÀI LIỆU THAM KHẢO 216 MỤC LỤC 217