Giáo trình Máy điện đặc biệt - Chương 3: Các chế độ làm việc và các dạng khác của máy điện không đồng bộ đặc biệt - Nguyễn Trọng Thắng

48 trang ngocly 5020

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Máy điện đặc biệt - Chương 3: Các chế độ làm việc và các dạng khác của máy điện không đồng bộ đặc biệt - Nguyễn Trọng Thắng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_may_dien_dac_biet_chuong_3_cac_che_do_lam_viec_va.pdf

Nội dung text: Giáo trình Máy điện đặc biệt - Chương 3: Các chế độ làm việc và các dạng khác của máy điện không đồng bộ đặc biệt - Nguyễn Trọng Thắng

Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng CHƯƠNG 3: CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ CÁC DẠNG KHÁC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ĐẶC BIỆT 1. Đại Cương Máy điện không đồng bộ ngoài chế độ làm việc chủ yếu là động cơ điện còn có thể làm việc ở chế độ máy phát và trạng thái hãm. Máy điện không đồng bộ rôto dây quấn khi đứng yên còn dùng làm máy điều chỉnh cảm ứng, máy dịch pha v.v Ngày nay người ta còn dùng nhiều máy điện nhỏ theo nguyên lý của máy điện không đồng bộ trong các ngành tự động. Những máy này muôn hình muôn vẻ và công dụng của nó rất rộng rãi. Vì vậy trong chương này sẽ nói qua nguyên lý làm việc của một vài loại thông dụng. 2. Các Chế Độ Làm Việc Đặc Biệt Của Máy Điện Không Đồng Bộ 2.1. Máy phát điện không đồng bộ làm việc độc lập với lưới điện Như ta đã biết khi máy điện không đồng bộ làm việc ở hệ số trượt ¥ 90 , do đó : P 1 = m 1 U 1 I1 coj 1 0 nên máy vẫn nhận công suất phản kháng từ lưới vào một mặt để cung cấp công suất phản kháng do từ thông tản trên stato và rôto gây nên. Mặt khác để tạo từ thông trong khe hở không khí của máy. T r a n g | 37
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Khuyết điểm chính của máy phát không đồng bộ làm việc với lưới là tiêu thụ nhiều công suất phản kháng làm cosư của lưới kém. Tuy nhiên máy phát không đồng bộ làm việc với lưới cũng có ưu điểm như : Vấn đề mở máy và hoà với lưới dễ dàng, hiệu suất vận hành cao vì vậy nó có thể làm nguồn điện hỗ trợ nhỏ. Máy phát điện không đồng bộ còn có thể làm việc độc lập với lưới, quá trình tự kích để thành lập điện áp tương tự như trong máy điện 1 chiều kích thích song song. . . Từ đồ thị vectơ Hình 3.1, nếu bỏ qua tổn hao thép ta thấy I 0 vượt trước E 1 1 góc 90 0 nghĩa là máy phải phát ra dòng điện điện dung mới có thể tự kích được. Vì vậy khi làm việc độc lập với lưới ta phải nối ở đầu cực máy một lượng điện dung C thích hợp. Ngoài ra máy cần có từ dư, nhờ sđđ do từ dư sinh ra mà trong điện dung C có dòng điện điện dung làm cho từ thông được tăng cường. Điều kiện cuối cùng để thành lập được điện áp là có đủ điện dung để cho đường đặc tính điện dung và đường cong từ hoá của máy phát giao nhau ở điểm làm việc định mức . Hình 3.2. Máy phát điện không đồng bộ tự kích. Đường thẳng tiếp tuyến với đoạn không bão hoà của đường cong từ hoá gọi là đường đặc tính điện dung giới hạn: Hệ số góc của đường thẳng lúc đó bằng: U c 1 tgag h = = (3.2) I 0 C gh w Do đó khi không tải muốn thành lập được điện áp thì phải có : a C gh (3.3) T r a n g | 38
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Trị số điện dung ba pha cần thiết để kích từ cho máy đạt đến điện áp định mức lúc không tải có thể tính theo công thức : 3 I m C = 10 6 ( mF ) (3.4) 0 2 2p f1 U 1 1 Þ U 1 = 3I = 3 Im x c (3.5) m C w Trong đó I : Dòng điện từ hoá có thể coi là dòng điện không tải I0. U1 : Điện áp dây của máy. f1 : Tần số dòng điện phát ra. pn 1 pn f1 = » 60 60 Để tiết kiệm điện dung thường đấu chúng theo cách đấu D như Hình 3.2 a. Khi có tải phải luôn giữ tốc độ lên bằng n đm, nếu tốc độ giảm thì f1 giảm. Đường cong từ hoá thấp xuống, tg º 1/n tăng lên khiến cho điện áp giảm hoặc mất ổn định . Khi có tải thì do điện kháng của tải và điện kháng tản từ của stato nên phải tăng thêm điện dung C để giữ U = const. Điện dung để bù vào điện kháng tản từ của dòng stato vào khoảng 25% C 0. Điện dung bù vào điện kháng của tải có thể tính theo công thức sau: Q 6 C1 = 2 10 ( m F ) (3.6) 2 p f 1 U 1 trong đó Q là công suất phản kháng của tải. Từ đó ta thấy, trừ khi có thiết bị điều chỉnh tự động, nếu không thì khi tải thay đổi rất khó giữ U và f1 không đổi. Ở tải thuần trở thì ảnh hưởng đối với điện áp và tần số còn ít. Nếu tải có tính cảm thì ảnh hưởng đến U và f1 rất nhiều. Do điện dung tương đối đắt nên thường hạn chế công suất của máy phát không đồng bộ thường nhỏ hơn 20 KW. Máy phát điện không đồng bộ tự kích thường là loại rôto lồng sóc và sử dụng ở những nơi yêu cầu chất lượng điện không cao lắm như trong quá trình điện khí hoá nông thôn hoặc làm nguồn điện tạm thời với công suất nhỏ. 2.2. Trạng thái hãm của máy điện không đồng bộ Trong thực tế muốn động cơ ngừng quay một cách nhanh chóng và bằng phẳng khi cắt điện vào động cơ hoặc cần giảm bớt tốc độ (ở cần trục khi đưa hàng xuống) người ta dùng phương pháp hãm cơ hay điện. Ở đây chỉ giới thiệu các phương pháp hãm bằng điện. T r a n g | 39
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng a. Phương pháp hãm ngược ( Đổi thứ tự pha) Hình 3.3. Hãm đổi thứ tự pha động cơ điện không đồng bộ. Ta biết khi s >1, rôto quay ngược với chiều từ trường quay thì động cơ điện làm việc ở chế độ hãm.Ta ứng dụng nguyên lý đó như sau: Khi động cơ đang làm việc, rôto quay cùng chiều với từ trường quay. Sau khi cắt mạch điện, muốn rôto ngừng quay nhanh chóng ta đóng cầu dao về phía khác để đổi thứ tự pha đặt vào stato Hình 3.3. Do quán tính, rôto vẫn quay theo chiều cũ trong lúc đó từ trường đã quay ngược nên động cơ làm việc ở chế độ hãm. Mômen điện từ sinh ra ngược chiều với rôto và có tác dụng hãm nhanh chóng và bằng phẳng tốc độ quay của máy. Để giảm dòng điện trong quá trình hãm có thể đổi nối dây quấn stato từ D ® Y, hay có thể đặt thêm điện trở trong dây quấn rôto để giảm dòng điện và tăng mômen hãm. Khi rôto ngừng quay, phải cắt ngay mạch điện. Nếu không động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại (đặc tính cơ khi hãm ngược như Hình 3.4) . Hình 3.4. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộkhi hãm ngược bằng cách đảo chiều từ trường quay. T r a n g | 40
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng b. Phương pháp hãm tái sinh ( đổi thành may phát) Muốn thực hiện phương pháp hãm này cần đổi động cơ điện sang làm việc ở chế độ máy phát điện, tức là đổi tốc độ từ trường quay n1 n 1 động cơ sẽ trở thành máy phát trả năng lượng về lưới đồng thời có mômen hãm động cơ lại. Có trường hợp không cần đổi số đôi cực như khi xe điện xuống dốc tốc độ của rôto tăng lên quá tốc độ đồng bộ như vậy động cơ cũng làm việc ở trạng thái hãm. Để tăng mômen hãm , đôi khi người ta cho phép tăng điện áp đặt vào dây quấn stato bằng cách đổi nối từ Y ® D. Khi hãm tái sinh dòng điện tác dụng trong mạch rôto âm nên mômen điện từ của động cơ cũng âm: 2 E ' 2 s E ' 2 R ' 2 s E ' 2 x ' 2 s I’2s = = 2 2 j 2 2 (3.7) R ' 2 + j x ' 2 s R ' 2 + ( x ' 2 s ) R ' 2 + ( x ' 2 s ) n - n với : s = 1 n 1 Hình 3.5. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi hãm tái sinh bằng cách thay đổi số đôi cực. c. Phương pháp hãm động năng Sau khi cắt điện đưa vào động cơ thì lập tức đưa điện một chiều vào dây quấn stato. Dòng điện dòng chiều vào dây quấn stato tạo thành từ trường một chiều trong máy. Do còn quán tính dây quấn rôto cảm ứng nên sđđ và dòng điện tác dụng với từ trường trên tạo thành M đt chống lại chiều quay của máy. Ở loại động cơ rôto dây quấn người ta thường cho thêm điện trở phụ vào phía rôto để tăng thêm mômen hãm. T r a n g | 41
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Điều chỉnh mômen hãm bằng cách điều chỉnh điện áp một chiều vào dây quấn stato. Trên thực tế quá trình hãm theo phương pháp này thường được tiến hành tự động. Hình 1 .6. Hãm động năng động cơ điện không đống bộ. 3. Các Dạng Khác Của Máy Điện Không Đồng Bộ 3.1. Máy điều chỉnh pha (máy dịch pha) Máy dịch pha là loại máy điện có thể tạo nên một sđđ E2 ở phía thứ cấp với một góc lệch pha tùy ý so với điện áp sơ cấp U1. Máy có cấu tạo giống như máy điện không đồng bộ rôto dây quấn nhưng rôto bị giữ chặt bởi một hệ thống vis vô tận làm rôto không thể quay tự do được mà chỉ có thể quay một góc nhất định theo sự điều khiển từ bên ngoài. Máy thường là loại ba pha. Theo Hình 3.7a ta có dây quấn stato nối với lưới điện sinh ra từ trường quay. Dây quấn rôto thông qua vành trượt nối với tải. Từ trường quay trong khe hở sinh ra sđđ trong dây quấn stato là E1 và E2 có trị số tỷ lệ với số vòng dây tác dụng của các dây quấn còn góc pha phụ thuộc vào vị trí tương đối của chúng. Vì ba pha đối xứng ta có thể nghiên cứu trên một pha. Giả sử góc giữa pha A của dây quấn stato với pha a của dây quấn rôto là 0 0 . Sau đó quay pha a đi một góc b theo chiều từ trường quay. Căn cứ vào mạch điện thay thế và bỏ qua điện áp rơi trên tổng trở ta có: . . U 1 » - E 1 . . E 1 -j b E 1 U 2 » E 2 = e = ( cos b - j sin b ) (3.8) k k trong đó : k là tỷ số biến đổi điện áp. Căn cứ vào phân tích trên ta thấy E2 = Const. Chỉ thay đổi về góc pha T r a n g | 42
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Máy dịch pha được dùng trong các thiết bị thí nghiệm. Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị vectơ của máy dịch pha. 3.2. Máy điều chỉnh cảm ứng : Máy điều chỉnh cảm ứng là loại máy biến điện áp dựa trên nguyên lý của máy điện không đồng bộ ba pha rôto dây quấn với rôto đứng yên. Kết cấu của máy điều chỉnh cảm ứng giống như máy dịch pha, chỉ khác là dây quấn stato và rôto ngoài sự liên hệ về từ còn liên hệ về điện như trong máy biến áp tự ngẫu hai dây quấn. Máy điều chỉnh cảm ứng có hai loại : Đơn và kép. a. Máy điều chỉnh cảm ứng đơn: Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị vectơ của máy điều chỉnh cảm ứng đơn. T r a n g | 43
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Nghiên cứu trên một pha dây quấn ta có: . . . . U 1 - jα U 2 = U 1 + E 2 » U 1 - e k . 1 -j a U 2 = U1 ( 1 e ) (3.9) k a là góc lệch giữa E 2 và E 1 1 Khi a = 0 thì U 2 = U 2min = U 1 ( 1 ) k 0 1 Khi a = 180 thì U 2 = U 2max = U 1 ( 1 + ) k Cần chú ý là khi điều chỉnh trị số của U 2 thì góc pha của nó đối với U 1 cũng thay đổi một ít. Ngoài ra khi máy làm việc trên rôto có mômen điện từ lớn kéo về vị trí hai dây quấn stato và rôto trùng trục nên phải có bộ phận hãm giữ không cho rôto quay. Để khắc phục khuyết điểm này ta dùng máy điều chỉnh cảm ứng kép. b. Máy điều chỉnh cảm ứng kép Gồm hai máy điều chỉnh cảm ứng đơn ghép lại, hai rôto được nối chặt với nhau về cơ khí. Dây quấn được nối theo sơ đồ nguyên lý như Hình 3.9a. Theo hình vẽ ta thấy thứ tự pha của hai máy ngược nhau từ trường quay ngược nhau nên góc pha giữa E2 với E1 trong hai máy bao giờ cũng ngược nhau dù rôto quay theo chiều nào. Theo đồ thị vectơ ở Hình 3.9b ta có điện áp đầu ra bằng: . . . . U 2 = U 1 + E ' 2 I + E ' ' 2 II . U 1 j a U 1 - j a = U 1 e + e k k . 1 j a - j a = U 1 [ 1 ( e + e ) } (3.10) k 2 Khi a = 0 ta có : U2 = U2min = U1 ( 1 ) k 0 2 Khi a = 180 ta có : U 2 = U 2max = U 1 ( 1 + ) k T r a n g | 44
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Góc pha U 2 luôn luôn trùng pha với U 1 , còn M đt sinh ra ở hai máy điều chỉnh cảm ứng đơn bằng nhau và ngược chiều nên trên trục máy không chịu mômen nào cả. Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị vectơ của máy điều chỉnh cảm ứng kép. 3.3. Máy biến đổi tần số Máy điện không đồng bộ rôto dây quấn có thể dùng làm máy biến đổi tần số từ f1 sang tần số f2 . Ví dụ ta nghiên cứu trường hợp f 2 > f1 . Sơ đồ nguyên lý ở Hình 3.10. Hình 3.10. Sơ đồ máy biến đổi tần số. Dây quấn stato được nối với lưới điện có tần số f 1, rôto được một động cơ sơ cấp ĐK kéo quay ngược với chiều từ trường quay. Do đó tần số của sđđ cảm ứng ở dây quấn rôto bằng : f 2 = s f1 n + n với s = 1 > 1 n 1 60 f 1 n1 = là tốc độ đồng bộ của từ trường quay. p T r a n g | 45
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Ơ máy biến đổi tần số 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 cos y2 Trong đó m 2 và E2 là số pha và Sđđ của rôto khi đứng yên. CS điện từ chuyển từ stato sang roto bằng : P đt = m 2 E2 I2 cos y 2 (3.11) Khi s > 1 thì P 2 > P đt : Máy lấy công suất từ trục động cơ sơ cấp ĐK vào và công suất cơ đó bằng: P cơ = P 2 – P đt . = m 2 (s 1) E2 I2 cos y 2 (3.12) Máy biến đổi tần số thường dùng để cung cấp dòng điện tần số f 2 từ 100÷200Hz dùng trong công nghiệp. Ta có : f f 1 + 1 n + n p p p + p s = 1 = BT Ñ = Ñ BT (3.13) n 1 f 1 p Ñ p BT Trong đó : p BT và p Đ : Số đôi cực của máy biến tần và của động cơ. p Ñ = 1 ü Ví dụ : ý s = 3 f2 = 3f1 = 150 Hz p BT = 2 þ p Ñ = 1 ü ý s = 4 f2 = 4f1 = 200 Hz p BT = 3 þ 3.4. Máy điện không đồng bộ làm việc trong hệ tự đồng bộ (Selsyn) Máy điện không đồng bộ làm việc trong hệ tự đồng bộ gồm nhiều máy đặt cách nhau và chỉ nối với nhau bằng điện. Khi 1 trong những máy đó quay đi một góc (gọi là máy phát) thì những máy khác (máy thu) cũng quay 1 góc như vậy. Hệ thống này thường dùng trong kỹ thuật khống chế và đo lường. Những máy điện này thường thuộc loại ba pha và một pha và có thể làm việc ở nhiều chế độ : Chỉ thị, vi sai, biến áp. a. Hệ Tự Đồng Bộ 3 Pha ( Selsyn 3 pha) 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 ph. 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. T r a n g | 46
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 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 E2 F và E 2T sẽ có góc lệch và do đó trong mạch rôto sẽ có dòng điện I2. . . ± j q E 2 F - E 2 T .e I 2 = (3.14) Z 2 F - Z 2 T (+) khi rôto F quay cùng chiều với Ư F ( E 2T 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) Từ đồ thị vectơ Hình 3.11b ta thấy thành phần tác dụng của I2 cùng chiều với E2 T 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 y 2F » 180 , cos y 2 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 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. Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị vectơ của selsyn ba pha. b. Hệ tự đồng bộ 1 pha ( selsyn 1 pha) Stato của hai máy F và T chỉ có một pha nối với lưới điện chung, còn rôto củahai máy vẫn là dây quấn ba pha và nối với nhau theo đúng thứ tự pha . Khi cho dòng điện một pha vào dây quấn stato thì trong khe hở sinh ra từ trường đập mạch và có thể phân thành hai từ trường quay ngược chiều nhau là Ư A và Ư B và ta coi như có hai hệ thống đồng bộ ba pha hợp lại. Như vậy có thể dùng nguyên lý làm việc của hệ ba pha tìm ra mômen từng phần và mômen tổng. Quay rôto của máy F theo chiều của ƯAF một góc . Đối với từ trường quay thuận Ư AF và Ư AT thì giống như hệ ba pha M AF và M AT có khuynh hướng kéo hai rôto T r a n g | 47
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng trở về cùng một vị trí . Đối với từ trường quay ngược Ư BF và Ư BT cũng vậy. Vì vậy mômen dohai từ trường quay sinh ra trên mỗi máy cùng chiều nên trị số tuyệt đối của chúng là tổng của hai momen của từng phân lượng từ trường làm trục quay. Như vậy nếu quay roto của máy F đi một góc thì roto máy T cũng quay đi một góc . Thường đặt dây quấn sơ cấp một pha trên roto còn dây quấn thứ cấp ba pha lắp trên stato như vậy giảm đi được một vành trượt. Để có đặc tính mômen tốt, dây quấnmột pha thường đặt trên cực lồi. Ngày nay người ta đã chế tạo những selsyn một pha không vành trượt . Hệ tự đồng bộ ngày nay được áp dụng rộng rãi trong ngành tự độn hoá và điều khiển. Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị vectơ của selsyn một pha. Hình 3.13. Cấu tạo selsyn một pha. T r a n g | 48
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 3.5. Động cơ chấp hành không đồng bộ ( AC ServoMotor) Để điều khiển một đối tượng nào đó, tín hiệu điều khiển ít khi dẫn trực tiếp đến mà thường qua khâu trung gian nào đó. Thí dụ muốn biến tín hiệu điện áp thành tín hiệu cơ học tác động vào đối tượng điều khiển thì người ta dùng khâu trung gian là động cơ chấp hành. Động cơ này cần thoả mãn các yêu cầu chính: Độ nhạy cao, quán tính bé, nghĩa là phải quay hoặc dừng tức khắc khi có hoặc mất tín hiệu điều khiển mà không nhờ một cơ cấu hãm . Mômen mở máy lớn, động cơ làm việc ổn định . Đặc tính cơ tuyến tính, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng. Công suất điều khiển nhỏ. Động cơ chấp hành không đồng bộ là loại động cơ không đồng bộ hai pha công suất bé (0,1 ÷ 300W). Máy có kết cấu như sau: Stato ghép bằng lá thép kĩ thuật điện có hai cuộn dây đặt lệch nhau 90 0 Trong đó một cuộn Wkt làm nhiệm vụ kích thích, cuộn Wđk làm nhiệm vụ điều khiển , hai cuộn này được đặt vào hai điện áp lệch nhau 90 0 thời gian. Nguồn kích thích lấy ở lưới điện xoay chiều , nguồn điều khiển lấy ở tín hiệu ĐK có nhiều loại điều khiển : Điều khiển biên độ , điều khiển pha, điều khiển hỗn hợp ( cả biên độ và pha) . Tổng quát từ trường quay có thể là ellip do tính bất đối xứng của điện áp hoặc pha ( pha nhỏ hơn 90 0 ). Khi có tín hiệu điều khiển trong khe hở sẽ hình thành từ trường quay và động cơ làm việc với đặc tính mômen thuận (đặc tính cơ thông thường). Khi mất tín hiệu điều khiển, trong dây quấn stato chỉ còn nguồn điện một pha (Ukt), từ trường đập mạch do dòng điện một pha sinh ra được phân thành hai từ trường quay thuận và ngược, tương ứng ta có hai đặc tính cơ thuận và ngược, đặc tính cơ tổng Må sẽ tạo ra một mômen ngược với mômen thuận (là đặc tính cơ thông thường của động cơ không đồng bộ khi có cảhai điện áp kích thích và điều khiên) làm rôto đứng lại ( Hình 3.15b) Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo động cơ chấp hành hành không đồng bộ. T r a n g | 49
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Hình 3.15 Đặc tính cơ của động cơ chấp hành không đồng bộ. Để máy làm việc ổn định và đặc tính cơ tuyến tính thì rôto phải được chế tạo với điện trở rất lớn để s m = 3 ÷ 4, với s m lớn như vậy nó mới chống được hiện tượng tự quay nữa ( còn đối với động cơ một pha thông thường vì điện trở rôto bé nên đặc tính cơ có dạng như Hình 3.15a, khi rôto đã quay ta ngắt mạch khởi động thì động cơ vẫn tiếp tục quay). Động cơ chấp hành không đồng bộ có kết cấu tương tự như động cơ không đồng bộ thường rôto lồng sóc nhưng phải được chế tạo với độ chính xác cao, quán tính bé. Thông thường hay làm theo kiểu rôto rỗng ( hình cốc ) cấu tạo như Hình 3.14b. Stato gồm hai phần : Ngoài và trong , stato ngoài gồm các lá thép kĩ thuật điện ghép lại với nhau, gồm có răng rãnh để đặt dây quấn kích thích và dây quấn điều khiển. Stato trong gồm các lá thép ghép lại không có răng rãnh chỉ dùng làm mạch dẫn từ. Rôto rỗng thường làm bằng vật không dẫn từ như nhô hay đuyra được bắt lên trên trục bằng vành đỡ và quay ở giữa khe hở stato. Ngoài ra rôto có thể làm bằng hợp kim đồng nhôm có điện trở suất cao hoặc làm bằng sắt, hay bằng vải ép trên mặt ngoài tráng vật liệu dẫn điện . Do khe hở không khí lớn (d = 0,3 ÷ 1,4 mm) nên I0 lớn, cosư thấp, hiệu suất thấp, trọng lượng lớn (vì d lớn nên muốn F cao phải tăng stđ F = I W ® W tăng) (hình 114 b) 3.6. Máy phát tốc độ không đồng bộ Làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu cơ sang tín hiệu điện ( thường là tốc độ quay của trục biến đổi thành tín hiệu điện áp) để đo tốc độ của động cơ hoặc biến đổi các tín hiệu (gia tốc, ổn định) trong các cơ cấu tự động. Trong các loại máy phát tốc độ xoay chiều, máy phát tốc độ không đồng bộ có ưu điểm là tần số của điện áp ra không T r a n g | 50
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng phụ thuộc vào tốc độ, điều này rất thuận tiện cho việc sử dụng các dụng cụ đo điện áp ở đầu ra. Máy phát tốc độ không đồng bộ có cấu tạo giống động cơ chấp hành không đồng bộ rôto rỗng. Hình 3.16. Nguyên lý làm việc của máy phát tốc độ. Hình 3.17. Quan hệ UF = f(n) Wk là cuộn dây kích thích, WF là cuộn dây phát. Khi cho dòng điện xoay chiều một pha tần số f1 vào dây quấn W k , trong máy xuất hiện một từ trường đập mạch F k với tần số f1 có phương trùng với trục dây quấn W k trong hình trụ rôto rỗng đang đứng yên xuất hiện sđđ và dòng điện xoay chiều với tần số f1 như máy biến áp, chiều của từ trường Ư1 do dòng điện đó sinh ra được vẽ ở Hình 3.6a. Khi n = 0 : Do trục của dây quấn W F thẳng góc với trục W k tức là thẳng góc với phương Ơ k và Ư 1 nên EF = 0 Khi rôto quay n # 0 trong rôto sẽ cảm ứng thêm một sđđ quay eq do từ trường Ơk quét qua rôto. eq º n , dòng điện Iq do eq sinh ra có chiều như Hình 3.16b Vì Ơk và Ư1 đập mạch với tần số f1 nên eq và Iq cũng biến đổi với tần số f1, dòng điện Iq tạo ra từ trường Ơ q đập mạch với tần số f1 qua cuộn dây W F làm cảm ứng trong đó một sđđ xoay chiều e F có tần số f1 , trị số Eq tỷ lệ với tốc độ n. Quan hệ UF = f(n) được vẽ trên Hình 3.17. T r a n g | 51
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Trên thực tế, khi máy phát tốc độ có tải, phản ứng của dòng điện trong rôto gây nên sự biến dạng của từ trường và sự thay đổi các thông số của máy . Hiện tượng này gây nên sai số về trị số và làm mất tính chất tuyến tính của UF = f (n) nhất là ở tốc độ cao. Vì vậy máy thường dùng để đo tốc độ trong phạm vi 8000 ÷ 10000 v/ph với DUF = 5 ÷ 10 V. 3.7. Máy biến áp xoay Máy biến áp xoay là thiết bị điện làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ , có thể cho ra một điện áp thay đổi theo góc xoay của rôto . Cấu tạo giống động cơ không đồng bộ rôto dây quấn dạng công suất nhỏ. Trên stato và rôto có đặt dây quấn hai pha đối xứng lệch nhau trong không gian 90 0 điện. Điện áp đầu ra trên rôto máy biến áp xoay có thể tỷ lệ với sin, cosin hoặc với bản thân góc xoay của roto, do đó người ta phân làm máy biến áp xoay sincosin và máy biến áp xoay tuyến tính. Sơ đồ nguyên lý như Hình 3.18. Hình 3.18. Sơ đồ nguyên lý máy biến áp xoay sin – cosin và máy biến áp xoay tuyến tính. Đặt điện áp xoay chiều U1 vào dây quấn stato W1 u1 = U1max sin t = 2 U1 sin t (3.15) Khi xoay roto đi 1 góc , điện áp đầu ra ở dạng dây quấn thứ cấp W’ 2 và W” 2 là : u’2 = 2 k 1 U 1 sin sin t = 2 U’2 sin t (3.16) u’’2 = 2 k1 U1 cos sin t = 2 U’’2 sin t (3.17) k dq 2 W2 Trong đó : k1 = k dq1 W1 U’ 2 = k 1 U 1 sin (3.18) T r a n g | 52
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng U” 2 = k 1 U 1 cos (3.19) Từ đó ta thấy trị số hiệu dụng của điện áp đưa ra U’2 và U”2 tỷ lệ với sin và cos . Khi mba xoay có tải, dòng điện i’2 và i”2 trong hai dây quấn W’2 và W”2 tạo nên từ trường Ư’2 và Ơ”2 có thể chia các từ thông đó thành hai thành phần dọc và ngang trục của từ trường dây quấn sơ cấp F1 là F’2 cos , F’2 sin , F’’2 cos a , F’’2 sin a . Từ trường ngang trục F’’2 cos a vàF’2 sin làm cho từ trường tổng bị méo đi và quan hệ hình sin của sđđ đối với góc a bị phá hủy. Để triệt tiêu thành phần này trên stato ta đặt dây quấn ngắn mạch W n vuông góc với dây quấn W 1 . Dòng điện trong dây quấn W n sẽ sinh ra từ trường bù thành phần từ trường ngang trục F’’2 cos a và F’’2 sin a , do đó có thể giảm sai số đến mức tối thiểu. Hình 3.19. Nguyên lý làm việc của máy biến áp sin – cosin. Nếu đấu dây quấn của mba xoay theo Hình 3.18c ta có máy biến áp xoay tuyến tính . Khi góc trong khoảng 0 < a < 65 0 điện áp ở đầu cuối hai dây quấn nối tiếp W’2 và Wn tỷ lệ thuận với góc xoay a. Còn dây quấn W”2 ở rôto nối kín mạch với tổng trở Zf dùng để bù từ trường ngang trục . Máy biến áp xoay ngày nay có sai số < = 5% , trong trường hợp đặc biệt có thể làm cho sai số < = 0,05 ÷ 0,07% . Công suất của mba xoay thường trong khoảng vài volt ampe với U = 115V và f = 50Hz ÷ 400 ÷ 2500 Hz. MBA xoay được dùng trong các máy tính, các hệ tuỳ đông và các sơ đồ hệ thống quay trong trạm rađa, v.v T r a n g | 53
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng CÂU HỎI ÔN TẬP. 1) Nêu ưu điểm và nhược điểm chính của MĐ KĐB khi làm việc ở chế độ máy phát ? 2) Điều kiện để MĐ KĐB làm việc độc lập với lưới điện ? 3) Đường đặc tính điện dung giới hạn được xác định như thế nào ? 4) Viết biểu thức xác định hệ số góc của đường đặc tính điện dung giới hạn ? 5) Những hạn chế của MĐ KĐB khi làm việc độc lập với lưới điện? 6) Trị số điện dung cần thiết để kích từ cho máy phát KĐB đạt đến điện áp định mức lúc không tải ? 7) Để tiết kiệm điện dung thì các bộ tụ được đấu như thế nào ? 8) Khi máy phát KĐB làm việc có tải nếu tốc độ máy giảm thì điện áp ra sẽ thay đổi như thế nào ? 9) Khi có tải để giữ điện áp ra của máy phát KĐB không đổi thì giá trị điện dung C tăng hay giảm và được tính như thế nào ? 10)Để giảm dòng điện trong quá trình hãm ngược ta có thể thực hiện bằng cách nào? 11)Nêu các phương pháp hãm điện đối với động cơ điện KĐB ? 12)Để tăng mômen hãm trong trường hợp hãm tái sinh ta có thể thực hiện bằng cách nào ? 13)Chức năng của máy điều chỉnh pha hay máy dịch pha ? 14)Điểm khác nhau về cấu tạo của ĐC KĐB với máy dịch pha ? T r a n g | 54
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng CHƯƠNG 4 Máy điện đồng bộ đặc biệt 1. Máy phát điện đồng bộ một pha 2 Dây quấn phần ứng là dây quấn một pha quấn với t. Để sức điện động là Sin 3 1 2 thì bề rộng phần quấn dây của một cực so với chu vi rôto là t. Do đó dây quấn của 2 3 2 một pha phải có bước dây là t . 3 Hình 4.1. (a) Sđđ của máy phát điện đồng bộ 1 pha. (b) Sđđ của máy phát điện đồng bộ 3 pha. So sánh công suất của hai loại máy phát một pha và ba pha : P (1~) = E.I E P (3~) = 3. .I 3 P (3~) = 1,73 (4.1) P (1~) Dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường đập mạch với tần số của dòng điện. Từ trường đập mạch này có thể xem là tổng hợp của hai từ trường quay thuận và ngược. Từ trường quay thuận có tốc độ đồng bộ với từ trường cực từ và quan hệ điện từ giữa hai từ trường đó hoàn toàn giống như máy điện đồng bộ ba pha. Từ trường quay nghịch có tốc độ 2n 1 so với rôto và sẽ cảm ứng trong dây quấn rôto các dòng điện có tần số 2f1 . Các dòng điện này sẽ sinh ra từ trường làm yếu từ trường quay ngược sinh ra chúng. Nếu trên rôto đặt dây quấn cản thì từ trường quay nghịch sẽ giảm nhiều, nếu không có dây quấn cản chỉ có dây quấn kích từ thì từ trường quay nghịch chỉ bị giảm ở hướng dọc trục còn vẫn mạnh ở hướng ngang trục. Ngoài ra dòng điện tần số 2f1 ở dây quấn rôto làm tăng tổn hao ở rôto và sẽ sinh ra từ trường đập mạch, và được phân thành hai thành phần thuận và nghịch quay với tốc độ 2n 1 so với rôto. Thành phần thuận sẽ sinh ra trong dây quấn stato một dòng điện có tần số 3f1 làm cho tổn hao phụ trong dây quấn stato tăng lên. Vì vậy trong máy điện đồng bộ một pha luôn luôn có đặt dây quấn cản để giảm nhỏ từ trường ngược. T r a n g | 55
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Hình 4.2. Tác dụng của từ trường stator. Hình 4.3. Tác dụng của từ trường rotor. Đồ thị vectơ của máy điện đồng bộ một pha tương tự như máy điện đồng bộ ba pha. Tuy nhiên điện áp rơi trong máy một pha lớn hơn máy ba pha vì điện kháng tản từ xs ư của nó lớn hơn do ảnh hưởng của từ trường ngược. 2. 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. T r a n g | 56
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Vì s.đ.đ 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 s. đ.đ sẽ lệch 2p pha nhau một góc . Nối m vành trượt với m điểm đó thì từ các chổi than tiếp xúc m với các vành trượt đó ta sẽ được s.đ.đ m pha. Hình 4.4. Cấu tạo của máy biến đổi một phần ứng. Nếu máy dùng biến đổi điện xoay chiều sang điện một chiều, thì đối với nguồn xoay chiều máy làm việc như động cơ đồng bộ, và đối với lưới một chiều máy làm việc như máy phát điện một chiều. Trước kia loại máy này dùng cung cấp điện một chiều cho xe điện và các tuyến đường sắt dùng đầu máy điện. Nếu dùng để biến đổi điện một chiều sang điện xoay chiều thì đối với nguồn một chiều máy làm việc như đông cơ điện một chiều và đối với lưới xoay chiều máy làm việc như máy phát đồng bộ. Nếu dùng động cơ sơ cấp kéo máy và lấy dòng điện một chiều do máy biến đổi phát ra để kích thích cho nó và từ vành trượt lấy ra điện xoay chiều thì ta được máy phát điện đồng bộ tự kích thích biến đổi cơ năng sang điện năng xoay chiều. Tỷ lệ giữa U ~ và U = : Dựa vào đồ thị Hình 4.4 b với m = 3 ta có : U = p U m ~ = 2 Sin 2 3 U = p hay U ~ = Sin = 0,612 U = (4.2) 2 3 Do tỷ lệ giữa U~ và U = như trên nên nếu U~ là tiêu chuẩn thì U = 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 I~ và I=, 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 T r a n g | 57
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 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. 3. Động cơ điện phản kháng : Là loại máy điện đồng bộ không có dây quấn kích từ, nguyên lý làm việc dựa vào sự khác nhau giữa từ trở dọc trục x d và ngang trục x q . Vì như ta đã biết : Công suất điện từ của máy điện đồng bộ gồm hai phần : Pđt = Pc + Pp Khi không có nguồn kích từ thì P c = 0, lúc đó lợi dụng công suất điện từ phụ P p để tạo ra mômen. mU 2 æ 1 1 ö P = ç - ÷S in 2 q (4.3) p ç ÷ 2 è x q x d ø Để thực hiện được xd ≠ xq rôto của máy được chế tạo như Hình 4.5 với cấu tạo như trên Hình 4.5 a, rôto được ghép bằng những lá thép tròn có những chỗ khuyết để tăng khe hở giữa cá cực và do đó tăng từ trở của mạch từ hướng ngang trục, trên rôto có đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc để mở máy. Ở Hình 4.5 b – c, rôto được chế tạo bằng cách đổ nhôm vào các tập lá thép, ở đây nhôm có tác dụng của dây quấn mở máy. Do không có dây quấn kích từ nên động cơ phải lấy dòng điện từ mạng điện và có Cosj thấp ( do cấu tạo rôto nên dòng điện từ hoá lớn để tạo nên từ thông cần thiết qua mạch từ có từ trở lớn ) . Trọng lượng động cơ phản kháng thường gấp 2, 3 lần trọng lượng động cơ không đồng bộ cùng công suất. Thường các động cơ phản kháng được chế tạo với công suất 50 ÷ 100 W. Hình 4.5. Cấu tạo rôto của động cơ điện phản kháng. 4. Động cơ kiểu nam châm vĩnh cửu. Ở loại động cơ này cực từ tạo bởi nam châm vĩnh cửu bằng hợp kim đặc biệt có độ từ dư rất lớn ( 0,5 ÷ 1,5 T ) . Cực từ có dạng cực lồi và đặt ở rôto khoảng cách giữa các cực có đổ nhôm kín và toàn bộ rôto là một khối trụ ( Hình 4.6 a ) . Nếu dùng làm động cơ điện thì cần đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc. Vì khó gia công rãnh trên hợp kim nam châm nên thường chế tạo lồng sóc như động cơ không đồng bộ và đặt hai đĩa nam châm ở hai đầu. ( Hình 4.6 b ) với kết cấu như vậy sẽ tốn vật liệu hơn và thường chế tạo với công suất : 30 ÷ 40 W. Trong trường hợp dùng như máy phát không có dây quấn mở máy, công suất có thể lên tới 5 ÷ 10 KW đôi khi đến 100KW. T r a n g | 58
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Hình 4.6. Cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu. 5. Động cơ từ trễ : Là động cơ mà mômen quay của nó sinh ra do hiện tượng từ trễ khi từ hoá vật liệu của rôto. Dây quấn stato ( 3 pha hay 1 pha có kèm tụ điện ) có nhiệm vụ tạo nên từ trường quay. Vật liệu chế tạo rôto là hợp kim từ cứng có chu trình từ trễ rộng như vi– ca–lôi, Alni còn thép kỹ thuật điện có vòng từ trễ hẹp . Vì loại hợp kim từ này đắt nên rôto thường được chế tạo lắp ghép, chỉ dùng vật liệu từ cứng ở mặt ngoài ( Hình 4.7 ) , khe hở không khí giữa stato và rôto được chế tạo bé nhất để có thể giảm dòng điện từ hoá. Hình 4.7. Rotor của động cơ từ trễ. Sơ đồ mạch điện thay thế của động cơ từ trễ: • rs x s - I z • I s r r 0 x T x T r • • d x U I 0 a • • Idu • I ru • x I ra I x x Hình 4.8. Sơ đồ mạch điện thay thế của động cơ từ trễ. T r a n g | 59
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Sơ đồ mạch điện thay thế của động cơ từ trễ bao gồm các phần: sơ cấp, từ hoá và thứ cấp (Hình 4.8). Phần sơ cấp bao gồm điện trở của dây quấn stator rs , điện kháng tản của dây quấn stator x s. Phần từ hoá (nhánh song song thứ nhất từ trái sang ) biểu thị ảnh hưởng của từ trở khe hở không khí x và điện trở r0 – đặc trưng cho tổn hao trong lõi thép stator. Nhánh song song thứ hai biểu thị ảnh hưởng của phần tử trễ tác dụng của rotor. Tổn hao trong điện trở của nó rT bằng công suất cơ do mômen từ trễ tạo nên cộng với tổn hao do từ trễ của rotor (ở chế động không đồng bộ). Điện trở rT phụ thuộc vào tải của động cơ. Điện kháng xT đặc trưng cho độ dẫn từ của rotor. Nhánh song song thứ ba phản ánh ảnh hưởng của dòng điện xoáy trong rotor. Điện trở rx phụ thuộc vào hệ số trượt s , đặc trưng cho tổn hao do dòng xoáy và công suất cơ do momen của dòng xoáy tạo nên. Điện kháng x x là điện kháng tản của dòng xoáy quy đổi về cuộn stator. Ơ chế độ đồng bộ: xx = 0, rx = ∞ nên nhánh này hở mạch. Nguyên lý làm việc: Xét thời điểm khi từ trường quay Ơ S của stato ở vị trí A ( hình 4.9 a ) rôto bị từ hoá và các nam châm phân tử sẽ được sắp xếp định hướng theo chiều của từ trường. Tác dụng hỗ tương giữa ƠS của stato và ƠR của các nam châm phân tử sẽ tạo nên lực hướng kính F theo phương từ trường stato và do đó không tạo nên được mômen quay. Ở thời điểm tiếp theo là vị trí B của từ trường quay ƠS, các nam châm phân tử sẽ quay theo về vị trí mới này, nhưng do sự ma sát của các phần tử ở vật liệu có vòng từ trễ rộng các nam châm phân tử sẽ không xoay kịp cùng với Ơ S và phải chậm sau một góc lệch q nào đo. Lực hỗ tương F lúc này ngoài thành phần hướng kính còn thành phần tiếp tuyến F t = F Sinq có tác dụng kéo các nam châm phân tử và do đó tạo nên mômen từ trễ tỷ lệ với tích vectơ của hai vectơ không gian Ơ S và Ơ R . Mt = k [ ƠS ƠR ] = k ƠS ƠR Sinq (4.4) Trong đó k là hệ số phụ thuộc vào thông số của máy. Có thể tăng M t bằng cách sử dụng vật liệu có vòng từ trễ lớn hơn, lý tưởng là loại có vòng từ trễ hình chữ nhật. ( Hình 4.9 c ) T r a n g | 60
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Hình4.9. c.Đặc tuyến thép kỹ thuật Vicalô d.Đặc tuyến momen của ĐC đồng bộ từ trễ. Trị số ƠS và ƠR không phụ thuộc vào tốc độ quay của rôto, góc không gian q cũng không phụ thuộc vào tốc độ quay và q được xác định bởi lực kháng từ của vật liệu ở rôto. Do đó ở phụ tải xác định, q = const chỉ rõ sự quay đồng bộ của rôto đối với từ trường quay stato Ơ S , và động cơ từ trễ là loại động cơ đồng bộ. Do Ơ S , Ơ R và q không phụ thuộc vào tốc độ quay của rôto nên đặc tính M = f(s) của động cơ từ trễ là đường thẳng song song trục hoành ( Hình 4.9 d ) . Ở trường hợp động cơ Ơ S vượt trước Ơ R và q là âm. ( q 0 ) : MF So với động cơ phản kháng, động cơ từ trễ có ưu điểm hơn vì không cần dây quấn mở máy đặt ở rôto, kích thước máy nhỏ, Cos j cao hơn ( vì R’2 và Io bé ). Công suất của động cơ có thể đến 300 ÷ 400 watt. 6. Máy phát cảm ứng tần số cao Trong sản xuất, một số thiết bị dùng trong luyện kim, vô tuyến điện, hàn dùng dòng điện xoay chiều một pha hoặc ba pha tần số cao ( 400 ÷ 3000 Hz ). Biện pháp tăng p hay n trong may phát đồng bộ bị hạn chế do cấu tạo máy hoặc sức bền vật liệu không cho phép. Trong trường hợp này phải dùng máy phát cảm ứng tần số cao gây ra bởi sóng điều hoà răng của từ trường đập mạch. T r a n g | 61
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Hình 4.10. Cấu tạo máy phát cảm ứng tần số cao. Stato ghép bằng lá thép kỹ thuật điện, phía trong có răng rãnh để đặt dây quấn phần ứng, giữa hai ngăn stato đặt dâu quấn kích từ mang dòng điện một chiều. Rôto thường là thép khối hoặc thép lá ghép trên răng từ có răng rãnh không có dây quấn. Khi cho dòng điện một chiều vào dây quấn kích từ từ trường sẽ đi như hình vẽ, đường sức từ sẽ đi từ lõi rôto vào stato thứ nhất khép kín qua vỏ máy về stato thứ hai để trở về lõi rôto, trên mỗi bề mặt của stato hay rôto chỉ có một cực tính nên ta gọi là loại cực tính đồng nhất. Khi rôto quay từ trường đó đập mạch và được xem như tổng của hai thành phần : thành phần B0 có trị số không đổi và không chuyển động so với stato do đó không sinh ra sức điện động cảm ứng trên dây quấn stato, thành phần thứ B - B hai phân bố hình Sin có biên độ max min và chuyển động cùng với rôto sẽ cảm ứng 2 trong dây quấn phần ứng sức điện động có tần số : F2 = Z2 n Trong đó Z2 : số răng của rôto. n 2 : tốc độ quay ( v/sec). Hình 4.11. Từ trường ở khe hở của MF cảm ứng tần số cao. 7. 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. T r a n g | 62
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 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. Moment 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 phản kháng (không có dây quấn) và rotor tác dụng (có dây quấn kích thích hoặc nam châm vĩnh cửu). Rotor hình đĩa hay rotor mạch in. Bước dịch chuyển xoay hay dịch chuyển thẳng trực tiếp 7.1. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet stepper motor) Cấu trúc tiêu biểu của động cơ bước nam châm vĩnh cửu được trình bày ở Hình 4.12. Đây là động cơ 4 pha, mỗi pha quấn trên 2 cực stator. Stator trong thiết kế này phải có 8 cực. Rotor bằng nam châm vĩnh cửu có trục thẳng hàng với cực stator 11’. Nó được giữ ở vị trí này, khi đặt dòng điện I1 vào pha 1 thì cực stator 1 được từ hoá như cực nam, còn cực stator 1’ được từ hoá như cực bắc. Chú ý chiều dây quấn để tạo ra dạng từ hoá này. Đặt dòng điện I4 vào pha 4, cực từ hoá 44’ hình thành (I1 được cắt ra). Khi đó lực từ hoá tác động tương hỗ với từ trường rotor sinh ra moment đồng bộ xoay rotor 1 góc 45 0 , theo chiều kim đồng hồ, để cực bắc rotor đến cực stator 4. Lần lượt đưa dòng điện I 3 , I2 (mỗi pha 1 lần) vào pha 3, pha 2. Khi đó rotor xoay theo T r a n g | 63
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 0 chiều kim đồng hồ mỗi bước 45 . Để rotor xoay tiếp lần lượt đưa I1 , I4 , I3 , I2 vào pha 1, 4, 3, 2 nhưng chiều dòng điện đổi lại.Như vậy nguồn điều khiển là loại đổi cực. Sau mỗi lần xoay 180 0 , dòng điện điều khiển đổi chiều. Như vậy trình tự điều khiển cho động cơ tiến theo chiều kim đồng hồ là 1432. Để cho động cơ tiến ngược chiều kim đồng hồ trình tự điều khiển phải được đảo ngược lại 1234. Hình 4.12 : Cấu trúc động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Các thông số tính toán : ZR : Số răng Rotor. ZS : Số răng Stator. m : Số pha. 360 0 t R = : Bước răng Rotor (độ). Z R 360 0 tS = : Bước răng Stator (độ). Z S 0 t r 360 qS = = = t r - t s (độ/bước). m m. Z R 3600 R S = = ZR .m : Số bước / vòng (bước/vòng). qS Z X = S : Số răng stator trên pha. m Nếu tần số xung điều khiển là f và động cơ dịch chuyển 1 bước tương ứng với 1 xung thì tốc độ động cơ được tính : 60 f 60f q f n = = = S (vòng/phút). R S Z R .m 6 Thí dụ : Tính các thông số t R , t S , q S , RS đối với động cơ ở hình 1 : T r a n g | 64
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Bước răng rotor của động cơ là: 0 0 360 360 0 tr = = = 180 Z R 2 Bước răng stator của động cơ là: 0 0 360 360 0 t s = = = 45 Z S 8 Mỗi bước động cơ quay 0 0 360 360 0 qS = = = 45 m. Z R 4 .2 Số bước động cơ quay trong một vòng RS = ZR.m = 2.4 = 8 bước/vòng 7.2. Động cơ bước từ trở biến đổi 1 tầng (single stack variable – reluctance stepper motor) Cấu tạo của động cơ này được trình bày ở Hình 4.13. Rotor và stator được chế tạo bằng vật liệu từ. Động cơ có 3 pha, mỗi pha được quấn trên 4 cực hay răng của stator. Ví dụ pha 1 được quấn trên cực 1, 4, 7, 10 của stator. Stator có 12 răng và rotor có 16 răng. Cực ngược cực tính được quấn theo chiều ngược lại để tạo sự cân bằng giữa từ thông vào và ra khỏi rotor. Giả sử dòng điện I1 đặt vào pha 1 và 4 răng rotor đối đỉnh với răng 1, 4, 7, 10 của stator. Từ thông đi vào rotor từ răng stator 4, 10, và ra khỏi rotor qua răng 1, 7, từ thông khép kín qua khung stator, có thể thấy rằng đỉnh răng stator 4 là cực bắc và đỉnh răng đối đỉnh với răng stator 4 là cực nam (cảm ứng). Sự phân cực này phải tồn tại để cho phép từ thông lớn nhất qua khe hở giữa hai răng đối đỉnh. Tương tự cho 2 pha còn lại. Để rotor tiến 1 bước theo chiều kim đồng hồ thì 3 pha được quấn trên răng stator 2, 5, 8, 11 được đặt dòng điện I3 vào và dòng điện I1 được cắt. Bây giờ do đường sức chọn đường đi có từ dẫn lớn nhất hay từ trở bé nhất nên xuất hiện moment phản kháng kéo răng rotor gần răng stator 2, 5, 8, 11 nhất vào vị trí đố đỉnh. Đó là các răng rotor a, d, b, c, đối đỉnh với các răng tương ứng 2, 5, 8, 11 của stator. Kết quả rotor ở một vị trí cân bằng mới. Nếu dòng điện I2 tiếp theo đưa vào pha 2, I3 bị cắt thì rotor sẽ bước thêm 1 bước nữa theo chiều kim đồng hồ. T r a n g | 65
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Như vậy trình tự 1321 cho rotor động cơ tiến theo chiều kim đồng hồ. Muốn rotor quay ngược lại trình tự kích thích là 1231. Nguồn kích thích là loại đơn cực. Hình 4.13 : Cấu tạo động cơ bước từ trở biến đổi, 1 tầng (3 pha). Góc bước của rotor qs được xác định như sau : ZR : Số răng Rotor. ZS : Số răng Stator. m : Số pha. 360 0 tr = : Bước răng Rotor (độ). Z R 360 0 t s = : Bước răng Stator (độ). Z S 0 t r 360 qS = = = t r - t s (độ/bước). m m. Z R 3600 RS = = ZR.m : Số bước / vòng : (bước/vòng). q S R Z Z X = s = R = s : Số răng stator trên 1 pha. m ( m ± 1 ) m ± 1 m 60 f 60f q f n = = = S : Tốc độ (vòng/phút). R S Z R .m 6 Thí dụ : Tính các thông số tr, ts, qS, RS đối với động cơ ở Hình 4.13 : Bước răng rotor của động cơ là: 0 0 360 360 0 t r = = = 22.5 Z R 16 T r a n g | 66
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Bước răng stator của động cơ là: 0 0 360 360 0 ts = = = 30 Z S 12 Mỗi bước động cơ quay 0 0 360 360 0 q S = = = 7.5 m. Z R 3. 1 6 Số bước động cơ quay trong một vòng R S = ZR .m = 16.3 = 48 bước/vòng 7.3. Động cơ bước từ trở biến đổi nhiều tầng : (Multistack variable – reluctance stepper motor) Động cơ bước từ trở biến đổi có thể có nhiều tầng. Thông thường là 2, 3, 4 hay nhiều tầng hơn nữa. Một tầng được xem như 1 pha. Hình 4.14 trình bày cấu tạo của động cơ bước từ trở biến đổi 3 pha (3 tầng). Stator của mỗi tầng có 4 cực, mỗi cực có 3 răng. Trong mỗi tầng 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. Theo hình 3 răng rotor và stator tầng 1 đối đỉnh, răng rotor và stator tầng 3 lệch nhau 10 0 (cấu tạo stator tầng 2 xoay 1 góc 10 0 so với stator tầng 1), tương tự răng rotor và stator tầng 3 lệch nhau 20 0 (stator xoay 1 góc 20 0 đối với stator tầng 1 hay 1 góc 10 0 đối với stator tầng 2). Răng của 3 rotor nằm trên cùng trục và thẳng hàng. Hình 4.14 : Cấu tạo động cơ bước từ trở biến đổi, 3 tầng (3 pha). 0 ZR = ZS = 12, qi = qS = 10 . Góc lệch của 2 tầng kề nhau qi, xác định như sau : T r a n g | 67
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 0 t r 360 q i = = = q S (độ) m Z R .m Trong đó : 360 0 tr : bước răng của rotor, tr = Z R ZR : Số răng của rotor cũng như stator. m : số pha hay số tầng. 0 Trong trường hợp trên ZR = 12, m = 3, do đó qi = 10 . Nguyên lý làm việc của động cơ như sau: Giả sử ban đầu đặt dòng điện điều khiển vào tầng 1 thì răng rotor và stator của tầng 1 đối đỉnh (do từ thông chọn đường đi có từ trở bé nhất). Lúc này răng rotor và stator tầng 2 lệch nhau 10 0 , răng rotor và stator tầng 3 lệch nhau 20 0 . Đặt dòng điện điều khiển vào tầng 2, dòng điện điều khiển tầng 1 được cắt. Rotor bước 1 góc 10 0 để răng rotor và stator tầng 2 đối đỉnh.Lúc này răng rotor và stator tầng 3 lệch nhau 10 0 . Tiếp tục đặt dòng điện điều khiển vào tầng 3, dòng điện điều khiển tầng 2 được cắt. Rotor bước thêm 1 góc 10 0 để răng rotor và stator tầng 3 đối đỉnh. Lúc này răng rotor và stator tầng 1 lệch nhau 10 0 . Tiếp tục đặt dòng điện điều khiển vào tầng 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 t r 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. Ví dụ phương pháp điều khiển 6 nhịp hay 6 kỳ. Nhịp 1 : kích thích tầng 1. Nhịp 2 : kích thích tầng 1 và 2. Nhịp 3 : kích thích tầng 2. Nhịp 4 : kích thích tầng 2 và 3. Nhịp 5 : kích thích tầng 3. Nhịp 6 : kích thích tầng 3 và 1. Lập lại quá trình trên, rotor bước theo chiều kim đồng hồ. Mỗi nhịp rotor bước 1 góc 5 0 . Phương thức điều khiển này gọi là phương thức điều khiển nửa bước, ở đây có sự kích thích 1 pha và 2 pha. Phương thức này góc bước bằng 1 nửa góc bước thông thường. T r a n g | 68
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Quá trình tóm tắt như sau : Nhịp điều khiển Dòng điện đặt vào cuộn Góc xoay rotor điều khiển 1 S1 0 0 2 S1 vàS2 5 0 3 S2 10 0 4 S2 và S3 15 0 5 S3 20 0 6 S3 và S1 25 0 7 S1 30 0 7.4. Động cơ bước hỗn hợp (Hybrid Stepper Motor). Động cơ bước hỗn hợp có đặc tính của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ trở biến đổi. Cấu tạo tiêu biểu của của động cơ này (Hình 4.15) gồm có hai phần. Mỗi phần gồm có răng rotor và các cực stator (cũng như răng) có dây quấn trên nó. Cấu tạo chi tiết của stator và rotor của mỗi phần được trình bày ở Hình 4.16. Hình 4.15. Cấu tạo động cơ bước hỗn hợp. Hình 4.16. Cấu tạo chi tiết của stator và rotor. 0 0 Zr = 30, Zs = 24, q i = ½ t r = 6 , q s = ½q i = 3 . T r a n g | 69
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Số răng trên stator và rotor của mỗi phần là khác nhau. Phấn A và B có cấu tạo giống nhau. Tuy nhiên, răng stator của mỗi phần được đặt thẳng hàng nhau và răng rotor của 2 phần được đặt lệch nhau ½ bước răng rotor. Trong thiết kế này bước răng 0 0 t r rotor tr = 360/30 = 12 . Vì thế rotor của 2 phần đặt lệch nhau 1 góc 6 (qi = ). 2 Các dây quấn pha trên stator được bố trí xen kẽ nhau trên các cực của 2 phần. Pha 1 được quấn trên các cực stator 1, 3, 5, 7 của phần A và trên các cực 2, 4, 6, 8 trên các cực của phần B. Pha 2 được bố trí trên các cực 2, 4, 6, 8 trên mỗi phần. Nam châm vĩnh cửu giữa 2 phần (có trục trùng với trục rotor) sẽ từ hoá rotor phần A như cực bắc và rotor của phần B như cực nam, còn các cực của stator được từ hoá bởi dòng điện trên các dây quấn pha. Chiều của từ thông qua các cực từ stator được xác định dựa vào chiều từ hoá trên các cực đó tức phụ thuộc vào chiều dòng điện trên các dây quấn pha. Khi đặt dòng điện I1 có chiều như hình 5 vào pha 1. Các răng rotor của phần A sẽ đối đỉnh với các răng stator của cực 1, 5 và các răng rotor của phần B sẽ đối đỉnh với các răng stator của cực 3 và 7. Chiều đi của từ thông trong mạch có chiều như hình 6 : từ thông từ cực bắc của nam châm vĩnh cửu đi vào rotor của phần A và rời khỏi rotor qua các cực stator 1, 5, sau đó đi qua gông stator rồi đi vào rotor của phần B qua các cực stator 3, 7, cuối cùng từ thông khép kín qua cực từ nam của nam châm vĩnh cửu. Với chiều đi của từ thông như trên thì từ trường trên nam châm vĩnh cửu sẽ được tăng cường (moment tăng). Hình 4.17. Chiều từ thông trên mạch từ khi pha 1 được cấp nguồn. T r a n g | 70
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Þ1 Þ2 Từ thông đi Từ thông đi ra phần A ở vào phần B Nhị I1 I2 Phần A Phần B p cực : ở cực : 1 + 1, 5 3, 7 2 4, 8 2, 6 3 3, 7 1, 5 4 + 2, 6 4, 8 + 1, 5 3, 7 Hình 4.18. Trình tự điều khiển 4 nhip của động cơ bước hỗn hợp. Để động cơ tiến 1 bước theo chiều kim đồng hồ thì dòng điện I2 được đặt vào pha 2 (I1 được ngắt ra). Khi ấy các răng rotor màu đen sẽ đối đỉnh với các răng stator T r a n g | 71
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng ở cực 4, 8 của phần A và cực 2, 6 của phần B. Với dòng điện I2 như trên thì các cực 4, 8 và 2, 6 được từ hoá có chiều khác với chiều từ hoá được tạo bởi dòng điện I1 . Để khắc phục điều này ta phải đảo chiều I1 để chiều từ hoá được tạo ra cùng chiều nhau. Trình tự điều khiển 4 nhịp được trình bày như Hình 4.18. Để động cơ quay theo chiều kim đồng hồ thì trình tự điều khiển là 1 + , 2 , 1 , 2 + , 1 + . Để động cơ quay theo chiều ngược lại trình tự phải đảo lại. Khi trục động cơ quay được một bước răng rotor trong 4 nhịp thì góc bước bằng ¼ tr hoặc có thể được tính theo biểu thức sau : t r 360 90 qS = = = 4 4 Z r Z r = t s - t r Như đã trình bày ở phần trên để đảm bảo chiều từ thông theo yêu cầu điều khiển thì dòng điện điều khiển trên các pha phải là loại lưỡng cực. Vì vậy cần phải có 2 nguồn điều khiển riêng biệt (điều khiển lưỡng cực). Trong thực tế do điều khiển bằng 2 nguồn riêng biệt không kinh tế nên thường sử dụng điều khiển bằng 1 nguồn (điều khiển đơn cực). Sự khác nhau giữa điều khiển đơn cực và lưỡng cực là ở các bộ dây quấn trên các cực từ stator. Nếu dây quấn trên các cực từ stator là loại đơn cực (chỉ có một cuộn dây được quấn trên một cực từ) thì nguồn điều khiển phải là loại lưỡng cực. Ngược lại nếu dây quấn trên các cực từ stator là loại lưỡng cực (có 2 cuộn dây được quấn trên một cực từ và có chiều ngược nhau) thì nguồn điều khiển là loại đơn cực. Hình 4.19 a b trình bày dây quấn loại đơn cực và lưỡng cực. Hình 4.19. Cấu tạo cuộn dây dạng đơn cực và lưỡng cực. Trở lại với động cơ ở Hình 4.16 nhưng nguồn điều khiển là loại đơn cực và vì thế các dây quấn trên các cực từ stator được thay bằng loại dây quấn có 2 cực tính + (như ở Hình 4.19b). Khi ấy từ thông Þ 1 sẽ được thay bằng 2 từ thông Þ 1 và Þ 1 , với + Þ 1 có chiều như Þ 1 (chiều như hình vẽ) và Þ 1 có chiều ngược lại. Với cách thay đổi như trên ta đã tạo được 4 pha, các pha này được kích thích bằng 1 nguồn duy nhất. Hình 4.20 trình bày sơ đồ chuyển mạch nguồn đơn cực và lưỡng cực (4.20ab) cùng với trình tự điều khiển động cơ theo chiều kim đồng hồ. Để động cơ quay theo chiều ngược lại thì trình tự điều khiển phải đảo lại. T r a n g | 72
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng + + + + Nhịp S1 S1 S2 S2 Nhịp S1 S1 S2 S2 1 X 1 X X 2 X 2 X X 3 X 3 X X 4 X 4 X X 1 X 1 X X ( c ) (d) + + Nhip S 1 S 1 S 2 S 2 1 X X 2 X 3 X X 4 X 5 X X 6 X 7 X X 8 X 1 X X (e) Hình 4.20 a. Nguồn điều khiển đơn cực. b. Nguồn điều khiển lưỡngcực. c. Trình tự điều khiển bước đủ với 1 pha được kích thích. d. Trình tự điều khiển bước đủ với 2 pha được kích thích đồng thời. e. Trình tự điều khiển nửa bước là sự kết hợp trình tự điều khiển c và d. T r a n g | 73
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 7.5. Điều khiển động cơ bước a. 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. Với lẽ đó, vận tốc quay của động cơ bước thường luôn được hiểu là vận tốc trung bình. Giải 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 q 0 thì để đạt được một vòng quay ta phải cho động cơ quay 360 0 / q 0 bước quay. Vận tốc trung bình V của động cơ bước trong thời gian t giây là: n q q V = . = f . (vòng/giây) t 360 360 q Hay V = f . (vòng/giây) 60 Việc 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 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. Nhìn vào đồ thị mômen – vận tốc của động cơ bước thường ta có thể thấy rằng vận tốc dưới 5 vòng/giây ( 300vòng/phút), động cơ còn giữ được mômen cực đại; trên vận tốc này mômen của động cơ sẽ bị giảm dần theo chiều tăng vận tốc. Do đó việc lựa chọn tải trọng và vận tốc quay cực đại phải được tính toán trước khi thiết kế hệ truyền động sử dụng động cơ bước. Một yếu tố rất quan trọng đối với động cơ bước là vận tốc tức thời, vận tốc này phải nhỏ hơn vận tốc quay cực đại đã được tính toán với một tải trọng cho trước. Gọi Tcb là thời gian giữa hai lần chuyển bước liên tiếp, từ công thức (28) ta tính được vận tốc tức thời V t : q Vt = (vòng/giây) 360 .T cb Thời gian Tcb không nhất thiết phải cố định nhưng phải đảm bảo điều kiện: q Tc b > 360 .V m ax 0 Ví dụ với q = 1,8 , V max =15 vòng/giây (9000 vòng/phút) Thì Tcb > 0,33 ms, cũng có nghĩa là tần số chuyển bước f < 3kHz. T r a n g | 74
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng b.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 (n1) 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. Đối với động cơ hai pha, nếu điều khiển cả bước có 4 trạng thái cấp điện; nếu điều khiển nửa bước, sẽ có 8 trạng thái cấp điện. Đối với động cơ 4 pha, nếu cấp xung 1 cực thì cũng có 4 và 8 trạng thái cấp điện vào các cuộn dây cho hai trường hợp điều khiển cả bước và nửa bước. Bảng 1 nêu các trạng thái cấp điện theo cách đơn giản nhất cho 4 cuộn dây pha. Bảng 1. Trạng thái cấp điện các pha của động cơ 4 pha. Trạng thái Cuộn dây 1 2 3 4 5 6 7 8 Cuộn 1 1 1 0 0 0 0 0 1 Cuộn 2 0 1 1 1 0 0 0 0 Cuộn 3 0 0 0 1 1 1 0 0 Cuộn 4 0 0 0 0 0 1 1 1 Trong bảng: tương ứng với các cột trạng thái, ô nào đánh số 1 là cuộn dây đó được cấp xung điện 1 cực, ô nào đánh số 0 là cuộn dây đó không được cấp điện. Nếu điều khiển cả bước thì chỉ có 4 trạng thái: 1, 3, 5 và 7 hoặc 2, 4, 6 và 8. Nếu điều khiển nửa bước có cả 8 trạng thái trên. Khi đã xác định cách cấp điện như trên, trong lúc hoạt động, động cơ bước chỉ có thể ở 8 trạng thái ổn định đó, ngoài ra không còn trạng thái ổn định nào khác. Mỗi lần dịch chuyển trạng thái cấp điện sang trạng thái liền kề thì động cơ dịch chuyển một bước (bước đủ hay bước nửa). Nếu chiều dịch chuyển từ trái sang phải thì động cơ quay phải, ngược lại nếu chiều dịch chuyển từ phải sang trái thì động cơ quay trái. Từ bảng 1 có thể đưa ra một chú ý hết sức quan trọng: trong quá trình hoạt động (quay hay giữ ) thì ít nhất một cuộn dây pha phải được cấp điện. Nếu tất cả các cuộn dây không được cấp điện (ở trạng thái turnof) thì rotor sẽ quay trơn, có nghĩa là nếu tải gây ra mômen quay thì rotor động cơ sẽ bị quay bởi lực bên ngoài. Ngược lại muốn dùng lực ngoài để thay đổi vị trí tải thì phải đưa động cơ về trạng thái turnof. Tầm quan trọng của chú ý này còn nằm ở chỗ: hệ truyền động động cơ bước sẽ không hoạt động đúng được nếu ta điều khiển nó luôn ở hai trạng thái turnof và dịch bước, mà phải điều khiển ở hai chế độ giữ và dịch bước, có nghĩa là bắt buộc phải cấp điện cho cuộn dây pha kể cả khi hệ dừng và lúc hệ chuyển động. Vấn đề cốt lõi của việc điều khiển động cơ bước là cấp điện lúc động cơ dừnggiữ. Do đó sẽ là sai lầm lớn nếu ta chỉ cấp xung điều khiển lúc động cơ quay còn dừng thì không cấp xung điều khiển. T r a n g | 75
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 7.6. Mạch điều khiển động cơ bước ● Mạch tạo xung Sử dụng mạch dao động đơn ổn dùng vi mạch IC 555. Sơ đồ mạch điện như Hình 4.21 Hình 4.21. Sơ đồ nguyên lý của IC 555 Điện áp cấp từ 3÷18V, dòng ngõ ra lên đến 200 mA (loại BJT), 100 mA (loại CMOS). Các chân của vi mạch được trình bày như hình vẽ trên gồm 8 chân. Ta có dạng sóng ngõ vào và ngõ ra của IC555 như Hình 4.22 Hình 4.22. Giản đồ sóng của ngõ ra IC555. Khi tụ C nạp với hằng số thời gian là ơ nạp ơ nạp = (R 1 + R 2 ).C Thời gian nạp t nạp = 0,69. ơ nạp Khi tụ C xả với hằng số thời gian là ơ xả ơ xả = R2 .C Thời gian xả t xả = 0,69. ơ xả Vậy chu kỳ xung và tần số là: T = t nạp + t xả = 0,69.( ơ nạp + ơ xả ) 1 Suy ra tần số : f = T ● Vi mạch giải mã IC 4017 Sơ đồ các chân của IC 4017 được trình bày như Hình 4.33 T r a n g | 76
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Hình 4.33. Sơ đồ chức năng và chân của IC 4017 Trong đó các ngõ ra từ O 0 đến O 9 (tương ứng chân 324710156911). Chân 13 cấp xung clock (tích cực ở mức thấp) Chân 14 cấp xung clock (tích cực ở mức cao) Chân 15 là chân master reset, tích cực ở mức cao. Chân 12 là cờ carry ngõ ra tích cực mức thấp. Đặc điểm của IC 4017 là khi ta cấp nguồn Vcc cho IC hoạt động nhưng chưa có xung clock ngõ vào thì các ngõ ra đều ở mức “0” (các ngõ từ O 0 đến O 9 ). Nhưng khi có xung clock cấp vào thì ngõ ra của IC tại mỗi thời điểm cho ra một ngõ ở mức cao “1”, còn lại thì ở mức “0”. Cứ có xung cấp vào thì lần lượt các ngõ ra từ O0 đến O9 sẽ cho lên mức “1”. Cờ carry sẽ chuyển trạng thái từ mức “0” xuống mức “1” khi các ngõ ra dịch từ O o đến O 9 và bắt đầu đếm lại. T r a n g | 77
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Bảng trạng thái như sau: MR CP 0 /CP 1 Hoạt động ngõ ra H X X O 0 = /O 59 = H; O 1 đến O 9 =L L H Xung cạnh xuống Đếm L Xung cạnh lên L Đếm L L X Không thay đổi L X H Không thay đổi L H Xung cạnh lên Không thay đổi L Xung cạnh L Không thay đổi xuống Trong đó: H là mức cao L là mức thấp X là tuỳ định. ● Bộ chuyển mạch điện tử ( a ) (b) Hình 4.34. Bộ chuyển mạch điện tử. T r a n g | 78
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Các khối A, B, C, D là các khoá đóng mở, dùng để đảo chiều dòng điện. Các khoá điện này hoạt động theo từng cặp AD, BC và được điều khiển thông qua bộ vi mạch điều khiển. Các khối hình vuông được ký hiệu là các bộ điều khiển có nhiệm vụ đóng mở thích hợp các công tắc để cung cấp dòng điện cho động cơ quay theo chiều thích hợp. Bộ điều khiển này thông thường là các máy tính hay thiết bị điều khiển có thể lập trình với các phần mềm. a. Điều khiển bước đủ Giới thiệu mạch điều khiển động cơ bước bốn pha (L1 , L2 , L3 , L4 ) như sau. Giản đồ xung điều khiển động cơ bước: Bảng trạng thái điều khiển động cơ bước: Xung clock L1 L2 L3 L4 1 1 0 0 0 2 0 1 0 0 3 0 0 1 0 4 0 0 0 1 5 1 0 0 0 T r a n g | 79
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Mạch điện điều khiển dùng vi mạch số. Hình 4.35. Mạch điện điều khiển bước đủ động cơ bước 4 pha. Hoạt động của mạch điều khiển. Khi IC555 cung cấp xung clock vào IC4017 thì ngay xung đầu tiên thì ngõ ra Q0 sẽ xuất ra mức 1 còn các ngõ khác thì ở mức 0. Q0 kích cho transistor T1 dẫn và đồng thời điều khiển cuộn dây L1 của động cơ hoạt động. Tiếp tục xung clock thứ hai thì Q2 xuất ra mức 1 và tương tự transistor T2 dẫn và đồng thời cuộn dây L2 của động cơ hoạt động. Giả sử như lúc đầu khi L1 có điện thì rotor ở vị trí 1 khi cuộn dây thứ 2 có điện, L1 ngắt điện thì rotor sẽ quay được một góc . Và tương tự như trên khi có xung clock cấp vào thì lần lượt ngõ ra xuất ra mức 1 thứ tự từ Q0 đến Q3 và lập lại, động cơ sẽ dịch góc quay thứ tự từ L1 đến L4. b. Điều khiển nửa bước Giản đồ xung điều khiển nửa bước. T r a n g | 80
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Bảng trạng thái điều khiển. Xung clock L1 L2 L3 L4 1 1 0 0 0 2 1 1 0 0 3 0 1 0 0 4 0 1 1 0 5 0 0 1 0 6 0 0 1 1 7 0 0 0 1 8 1 0 0 1 9 1 0 0 Mạch điều khiển dùng vi mạch số. Hình 4.36. Mạch điều khiển nửa bước động cơ bước 4 pha. Về hoạt động của mạch giống như bảng trạng thái. Lúc này động cơ bước sẽ dịch góc bước nhỏ hơn bước đủ. T r a n g | 81
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng Nếu động cơ bước trên mỗi pha quấn trên hai cực của stator thì lúc này mạch điều khiển phải dùng bộ chuyển đổi mạch như hình 14a như trên. Mạch điện có thể như sau: Hình 4.37. Mạch điện điều khiển động cơ bước 2 pha (mỗi pha quấn trên hai cực của stator). Điều khiển động cơ bước có nhiều cách điều khiển nhưng điều khiển thuận lợi và có cấu hình gọn nhẹ nhất trong điều khiển này là sử dụng Microcontroller. Như Microcontroller 89C51, 89S52, . Giới thiệu vi điều khiển 89S52 Hình 4.38. Sơ đồ chân 89S52 T r a n g | 82
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng CÂU HỎI ÔN TẬP. 1. Động cơ bước NC vĩnh cửu. 1. Trình bày đặc điểm cấu tạo của ĐC bước NC vĩnh cửu ? 2. Tại sao nguồn điều khiển ĐC bước NC vĩnh cửu là nguồn có 2 cực tính ? 3. Có thể điều khiển ĐC bước NC vĩnh cửu với nguồn một cực không ? 4. ĐC bước NC vĩnh cửu góc bước phụ thuộc vào các yếu tố nào ? 5. ĐC bước NC vĩnh cửu có thể làm việc ở chế độ nửa bước không ? 6. Đối với ĐC bước NC vĩnh cửu để giảm bước quay có thể thực hiện bằng cách nào? 7. Rotor ĐC bước NC vĩnh cửu là loại cực lồi hay cực ẩn ? 8. Rotor ĐC bước NC vĩnh cửu được làm từ vật liệu gì ? 9. Đối với ĐC bước NC vĩnh cửu các pha có thể được kích thích như thế nào? 10. Nếu số răng stator tăng 2 lần (số pha không đổi) thì góc bước sẽ thay đổi như thế nào? 11. Động cơ bước NC vĩnh cửu có : ZR = 2, ZS= 8, m = 4 thì góc bước bằng bao nhiêu? 12. Động cơ bước NC vĩnh cửu có : ZR = 2, ZS = 8, m = 4 thì số cự stator trong 1 pha bằng bao nhiêu? 2. Động cơ bước từ trở biến đổi 1 tầng. 1. Trình bày đặc điểm cấu tạo của ĐC bước từ trở biến đổi 1 tầng ? 2. Đối với ĐC bước từ trở biến đổi 1 tầng các pha có thể được kích thích đồng thời không ? Tại sao ? 3. Nguồn điều khiển ĐC bước từ trở biến đổi 1 tầng là loại đơn cực hay lưỡng cực ? 4. Điểm khác nhau giữa ĐC bước từ trở biến đổi 1 tầng với ĐC bước NC vĩnh cửu là gì ? 5. Rotor động cơ bước từ trở biến đổi 1 tầng được làm từ vật liệu gì ? 6. Góc bước của ĐC bước từ trở biến đổi 1 tầng qS có thể tính bằng biểu thức nào ? 7. Số bước trên vòng của ĐC bước từ trở biến đổi 1 tầng R s có thể được tính bằng biểu thức nào ? 8. Dẫn ra biểu thức biểu diễn mối quan hệ giữa X, Rs, Np. 9. Viết biểu thức xác định tốc độ ĐC bước từ trở biến đổi 1 tầng . 10. Các pha của ĐC bước từ trở biến đổi 1 tầng có thể được kích thích độc lập hay riêng lẻ ? 11. ĐC bước từ trở biến đổi 1 tầng có m = 3, ZR = 16, ZS = 12 thì góc bước qS bằng bao nhiêu ? 12. ĐC bước từ trở biến đổi 1 tầng có m = 3, ZR = 16, ZS = 12 thì bước răng rotor và stator là bao nhiêu ? T r a n g | 83
Giáo trình Máy điện đặc biệt – Nguyễn Trọng Thắng 3. Động cơ bước từ trở biến đổi nhiều tầng. 1. Trình bày đặc điểm cấu tạo của ĐC bước từ trở biến đổi nhiều tầng ? 2. Hãy nêu những điểm giống và khác nhau của ĐC bước từ trở biến đổi 1 tầng và nhiều tầng. 3. Góc lệch giữa các tầng trong ĐC bước từ trở biến đổi nhiều tầng là bao nhiêu ? 4. Nguồn điều khiển ĐC bước từ trở biến đổi nhiều tầng là loại đơn cực hay lưỡng cực ? 5. Rotor và stator ĐC bước từ trở biến đổi nhiều tầng được làm từ vật liệu gì ? 6. Cấu tạo răng stator và rotor các tầng của ĐC bước từ trở biến đổi nhiều tầng giống nhau hay khác nhau ? 7. Vị trí stator các tầng của ĐC bước từ trở biến đổi nhiều tầng được bố trí như thế nào ? 8. Vị trí rotor các tầng của ĐC bước từ trở biến đổi nhiều tầng được bố trí như thế nào ? 9. Các tầng (pha) của ĐC bước từ trở biến đổi nhiều tầng có thể làm việc độc lập hay riêng lẻ ? 10. Xác định góc lệch giữa các tầng của ĐC bước từ trở biến đổi nhiều tầng khi : ZR = 12 , ZS = 12, m = 3. 4. Động cơ bước hỗn hợp 1. Trình bày đặc điểm cấu tạo của ĐC bước hỗn hợp ? 2. Hãy nêu những điểm giống và khác nhau của ĐC bước từ trở biến đổi nhiều tầng và ĐC bước hỗn hợp. 3. Góc lệch rotor giữa 2 tầng liên tiếp được xác định như thế nào ? 4. Nguồn ĐK ĐC bước hỗn hợp tuỳ thuộc yếu tố nào ? 5. Rotor và stator ĐC hỗn hợp được làm từ vật liệu gì ? 6. Cấu tạo răng stator và rotor các tầng của ĐC bước hỗn hợp giống nhau hay khác nhau ? 7. Vị trí stator các tầng của ĐC bước hỗn hợp được bố trí như thế nào ? 8. Vị trí rotor các tầng của ĐC bước hỗn hợp được bố trí như thế nào ? 9. Góc lệch rotor q i giữa 2 tầng của ĐC bước hỗn hợp được tính bằng biểu thức nào ? 10. Các pha của ĐC bước hỗn hợp có thể làm việc đồng thời hay riêng lẻ ? 11. Nguồn điều khiển ĐC bước hỗn hợp là đơn cực hay lưỡng cực ? 12. Xác định góc lệch rotor giữa các tầng của ĐC bước hỗn hợp khi : ZR = 30, ZS = 24, m = 2. T r a n g | 84