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

Chia sẻ: Bùi Tấn Lợi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

147
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Máy điện 1- Chương 7: Máy điện đặc biệt

198 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP MÁY ĐIỆN 1 2008
199 Chƣơng 7 MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT Động cơ điện xoay chiều một pha có vành góp nói chung có kết cấu tương tự như MĐMC thông thường, chỉ khác là điện áp đặt vào là điện áp xoay chiều một pha. Động cơ nầy được dùng nhiều. 7.1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT PHA CÓ VÀNH GÓP 7.1.1. sđđ biến áp và sđđ quay 1. Khái niệm về sđđ biến áp và sđđ quay Khi đưa điện áp xoay chiều một pha vào dây quấn phần ứng của máy điện xoay chiều có vành góp, nói chung trong chúng có hai loại sđđ cảm ứng: + Sđđ kiểu 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 thông thường. 2. Xét sđđ biến áp Giả sử khi đặt điện áp xoay chiều vào dây quấn kích thích K ở phần tỉnh máy điện xoay chiều một pha (hình 7.1), từ thông  do nó sinh ra sẽ đập mạch với tần số f của lưới điện.   U K U K m  / 2 Ebamax E Eba= 0 (a) (b) (c) Hình 7.1 Sđđ biến áp do từ thông 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 còn dây quấn thứ cấp là dây quấn phần ứng. Các thanh dẫn của dây quấn phần ứng ở hai bên trục của dây quấn kích thích sẽ cảm ứng sđđ trái dấu nhau.
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: E ba   2fNk dq  m Trong đó: kdq = hệ số dây quấn N = số vòng dây của một nhánh dây quấn phần ứng. + Khi chổi than AB dịch khỏi đường trung tính hình học một góc : Eba() = Ebasin (7.1) Còn khi phần ứng quay: Sđđ Eba không đổi, giống như khi đứng yên, còn tần số của Eba là fba bằng tần số f của lưới điện. 3. Xét sđđ quay  Giả thiết từ thông m = C và phần ứng t U K quay với tốc độ n, như vậy máy giống máy điện một chiều thông thường. Vậy Sđđ cảm ứng trong dây quấn phần ứng đã có ở máy điện một chiều như:  pN Eba() Eq  m n (7.2) 60a Ta thấy:  Sđđ Eq phụ thuộc vào n và m  Trong phần tử dây quấn sđđ nầy pn Hình 7.2 Sđđ Eba sinh ra trong dây quấn có tần số f q  phấn ứng khi dịch chổi than khỏi 60 đường trung tính hình học một góc   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.  Còn khi chổi than lệch khỏi đường trung tính hình học góc . Eq ( )  Eq cos  (7.3) Thực tế, từ thông m đập mạch với tần số f và phần ứng quay n, ta thấy:  Trong mỗi phần tử tồn tại hai sđđ: + Sđđ biến áp có tần số fba = f, là tần số của lưới điện. pn + Sđđ quay có tần số f q  60  Trên chổi than A-B, sđđ biến áp Eba và quay Eq có 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 còn sđđ quay Eq ở tốc độ xác định thì: Eq  nm  m (7.4)
201 Từ (7.4), ta thấy từ thông m đập mạch với tần số f thì sđđ quay Eq cũng đập mạch với tần số f. Tốc độ quay n chỉ làm thay đổi chiều và trị số của sđđ quay Eq chứ không ảnh hưởng đến tần số f. + Trường hợp chổi than dịch khỏi đường tthình học một góc : Sđđ tổng EA-B có tần số f và bằng: E A  B  E 2ba sin 2   Eq2 cos2  (7.5)  U K E q (+n) m  n (-n) E q 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 có tần số f của nguồn kích từ, còn vị trí chổi than và tốc độ quay phần ứng chỉ làm thay đổi trị số và chiều của sđđ chứ không 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 Nói chung cấu tạo (hình 7.4a) của động cơ nối tiếp một pha không khác máy điện một chiều kích từ nối tiếp thông thường. Chú ý là cực từ được làm bằng thép kỹ thuạt điện để giảm tổn hao dòng xoáy và từ trễ. Trên cực từ có quấn dây quấn kích từ K, dây quấn bù B và dây quấn cực từ phụ F để cải thiện đổi chiều như máy điện một chiều thông thường. Sơ đồ nối dây của động cơ một pha kích từ nối tiếp được trình bày trên hình 7.4b. Khi đặt điện áp xoay chiều U một pha vào động cơ, từ thông  của cuộn kích từ nối tiếp tác dụng lên dòng điện I chạy trong dây quấn phần ứng tạo nên mômen làm động cơ quay. U  K
202 2. Mômen của động cơ Gọi: i æ  Iæm sin t : dòng tức thời của phần ứng;    m sin(t   ) : từ thông kích thích tức thời. Trong đó:  là góc lệch pha của  và iư. Giống máy điện một chiều, ta có trị số tức thời của mômen là : M t  CM i æ  M t  CM I æm sin t. m sin(t   ) Mômen trung bình: 1T 1 2 M tb   M t dt  2 0 M t d (t ) T0 CM M tb  I æm m cos   CM I æ  cos  (7.6) 2 Trong đó: Iư = trị hiệu dụng của dòng điện phần ứng.  = trị hiệu dụng của từ thông kích thích. Mt m Mtb t 0 2 Hình 7.5 Đường cong dòng điện, từ  thông và mômen 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
203  U jXI j XI Hình 7.6 Đồ thị vectơ của jX k I I động cơ điện kích thích  RI  nối tiếp một pha  m - E q E q Ta có phương trình cân bằng điện áp:   E U  q  jI(X K   X)  IR   E q  jIX  IR U (7.7) trong đó: U = Điện áp đặt vào động cơ. Eq = Sinh ra bởi từ thông m ngược pha với m vì lv chế độ động cơ. I = dòng điện chạy trong dây quấn vượt trước m một góc . XK = điện kháng toàn phần của dây quấn kích từ. X = Tổng điện kháng của dây quấn phần ứng, dây quấn bù, dây quấn cực từ phụ. R, X = Tổng điện trở và điện kháng của dây quấn kích thích, phần ứng, dây quấn bù, cực từ phụ. 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 mômen 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 mômen mở máy rất lớn, còn điện áp càng giảm thì đặc tính cơ càng thấp, vì vậy khi thay đổi điện áp U ta có thể điều chỉnh tốc độ quay và mở máy một cách dễ dàng.
204 b) Đặc tính  và cos = f(M) Đặc tính hiệu suất và hệ số công suất của động cơ là quan hệ của hiệu suất và hệ số công suất với mômen,  và cos =f(M) như trình bày trên hình 7.8 , 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 công suất cos ta có thể giảm điện kháng bằng cách giảm khe hở không khí hoặc dùng dây quấn bù. 5. Ứng dụng Động cơ điện có vành góp một pha với công suất lớn dùng trong điện khí hóa đường sắt, còn công suất nhỏ dùng rộng rãi C K trong công nghiệp và dân dụng với yêu cầu tốc độ cao như máy mài, máy khoan, máy hút bụi, máy lau nhà, máy khâu .. Hình 7.9 vẽ sơ đồ động cơ kích thích U U nối tiếp vạn năng, nghĩa là có thể làm việc với nguồn điện cung cấp xoay chiều hoặc C một chiều. Khi dùng điện áp một chiều, vì không có 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 không 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 vô tuyến điện. 7.2. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC) Động cơ BLDC hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than lần đầu tiên xuất hiện năm 1962 khi T.G. Wilson và P.H. Trickey chế tạo một ra động cơ
205 điện DC đổi chiều dùng thiết bị bán dẫn. Sau đó, cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất cùng với các mạch điện tử, các vi xử lý đi kèm nên nó được phát triển nhanh chóng và đưa vào ứng dụng trong nhiều nghành công nghiệp như tự động hóa, vũ trụ, tiêu dùng, thiết bị y tế vv... Động cơ BLDC được ứng dụng rộng rãi và thay thế các động cơ khác trong các truyền động chính xác bởi vì nó có các ưu điểm là có đặc tính cơ tốt , đáp ứng tải tốt, hiệu suất cao, tuổi thọ cao, không có tiếng ồn khi làm việc và dãi tốc độ vận hành lớn. 7.2.1. Cấu tạo của động cơ BLDC Động cơ BLDC ba pha có cấu tạo tương tự như động cơ điện đồng bộ ba pha kích thích dùng nam châm vĩnh cửu, gồm hai bộ phận chính là stator và rotor. Hình 7.10 : Cấu tạo động cơ BLDC Stator (hình 7.11) gồm lõi thép , dây quấn và vỏ máy . Lõi sắt có cấu tạo giống như máy điện xoay chiều 3 pha, trong lõi thép có dập các rãnh để đặt dây cuốn phần ứng . Dây quấn phần ứng gồm các cuộn dây đặt trong các rãnh của stator được nối thành hình sao hoặc hì nh tam giác.
206 Rotor như trên hì nh 7.12, thực chất là nam châm vĩnh cửu, nó từ 2 đến 8 cực được phân bố xen kẻ. Dựa trên yêu cầu về mật độ từ thông trên rotor, vật liệu từ thích hợp sẽ được chọn để làm rotor. Người ta thường sử dụng ferrite hoặc đất hiếm để làm nam châm vĩnh cửu. Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng. Có nhiều cách đặt và bố trí nam châm khác nhau lên trục của động cơ . Trên hì nh 7.12 trình bày một vài cách thông dụng thường dùng cho BLDC (a) (b) (c) Hình 7.12 : Cấu tạo Rotor động cơ BLCD Ta thấy các phiến nam châm có thể dán ở phía trong lõi (hình 7.12b,c) hay trên bề mặt lõi (hình 7.12a). Các phiến nam châm cũng có thể có dạng chữ nhật (hình 7.12b) hay lưỡi liềm (hình 7.12a). Hall Sensor khác với động cơ một chiều có chổi than , đổi chiều của động cơ BLDC được điều khiển bởi mạch điện tử. Để quay động cơ BLDC, các cuộn dây stator phải được cấp nguồn một cách tuần tự. Để thực hiện được việc đó, điều quan trọng là phải biết vị trí của của rotor để xác định được thứ tự của các cuộn dây được cấp điện. Vị trí rotor sẽ được giám sát bởi cảm biến từ hiệu ứng Hall gắn trên stator . Hầu hết động cơ BLDC có 3 cảm biến Hall gắn trên startor ở phần không chuyển động của động cơ. Bất cứ khi nào cực từ của rotor quay ngang qua Hall sensor sẽ tạo ra 1 tín hiệu ở mức cao hoặc thấp, cho biết vị trí của cực S hoặc N đang đi ngang qua sensor. Dựa trên sự phối hợp của 3 Hall sensor này ta sẽ xác định được thời điểm cũng như cuộn dây nào sẽ được cấp năng lượng. 7.2.2. Mô hì nh toán động cơ BLDC :
207 Để mô tả toán học mô hình của động cơ BLDC ta có 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 thông hình sin:  diSa  u Sa  e a  R S i Sa  ( L S  M ) dt  diSb u Sb  e b  R Si Sb  (L S  M ) (7.8)  dt  u  e  R i  (L  M ) Sc di  Sc c S Sc S dt Hình 7.13 Mô hình mạch động cơ BLCD Công suất tiêu thụ của động cơ là: P  e a i sa  e b i sb  e c i sc  MΩ R (7.9) Suy ra mômen điện từ của động cơ: e a i sa  e b i sb  e c i sc M (7.10) ΩR Phương trình động học của động cơ sẽ là: dΩ R 1 dΩ s 1 e a i sa  e b i sb  e c i sc    (  Ml ) (7.11) dt Zp dt j ΩR Các giá trị suất điện động ea; eb; ec có dạng hình thang và lệch nhau các góc lần lượt là: 0; 2 / 3; 4 / 3  e a  e p Ω R e(θ R )  e b  e p Ω R e(θ R  2π / 3) (7.12) e  e Ω e(θ  4π / 3)  c p R R
208  6θ R π π   π khi  6  θR  6  π 5π  1 khi  θR   Với eθ R    6 6 (7.13) 6(θ R  π) 5π 7π   khi  θR   π 6 6  7π 11π   1 khi 6  θR  6 Hình 7.14 : Đồ thị dạng sóng của các sức điện động Phương pháp điều khiển kinh điển sẽ điều khiển động cơ trực tiếp trên mô hình toạ độ stator. Phương pháp này dựa trên đặc điểm suất điện động hình thang của động cơ BLDC, từ đó sẽ điều chỉnh dòng điện các pha a, b, c có dạng những hình chữ nhật, do đó sẽ có được mômen không đổi nhờ công thức: 1 M (e a i sa  e b i sb  e c i sc ) (7.14) ΩR Nhưng cũng chính việc tạo dòng điện hình chữ nhật cũng gây không ít những hạn chế, do trong một chu kỳ có sáu lần chuyển mạch nên mômen cũng bị đập mạch theo, điều này dẫn đến một chất lượng mômen xấu và truyền động servo của động cơ BLDC cũng vì lẽ đó mà ít được dùng. 7.2.3. Điều khiển động cơ BLDC theo 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 toán điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp kinh điển thì tại mỗi một thời điểm trong ba cuộn dây A, B, C chỉ có hai cuộn nối với nguồn điện còn cuộn thứ ba sẽ không nối. Để phân tích việc điều khiển cũng là nguyện lý làm việc của động cơ BLDC, ta có sơ đồ bộ nghịch lưu dòng trình bày trên hình 7.15.
209 Hình 7.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ BLDC Bộ điều khiển dòng trên hình 7.15, là một khâu relay có trễ giúp cho giá trị dòng thực của động cơ bám với giá trị dòng đặt. Ví dụ: Với pha A - Khi giá trị dòng điện đặt lớn hơn giá trị dòng điện thực một giá trị  e thì: I A  I A thì van cung cấp giá trị dương cho dòng IA sẽ được mở ra và van âm sẽ * đóng lại, trong sơ đồ hình 1 thì đó là van T1 (qui ước giá trị dòng 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 đóng lại. Khi đó dòng IA sẽ tăng lên nhờ có mạch nghịch lưu nối điện (+) vào pha A - Khi giá trị dòng đặt nhỏ hơn giá trị dòng thực một giá trị  e thì: I A*  I A thì van cung cấp giá trị âm cho dòng IA sẽ được mở ra, van dương đóng lại, tức là T1 đóng, T4 mở. Khi đó dòng IA sẽ tăng lên nhờ có mạch nghịch lưu nối điện (+) vào pha A Các pha B,C cũng hoàn toàn tương tự. Giá trị  e là do tuỳ chọn, nếu càng nhỏ thì càng nhanh vào xác lập nhưng các giá trị điều khiển cũng sẽ bị dao động nhiều hơn, vì vậy cần lựa chọn cho hợp lý. Thường chọn vào cỡ 0,2 cho đến 1 A (Ampe). Một chú ý nữa là phương pháp này coi đối tượng BLDC giống như động cơ một chiều nên chỉ sử dụng 2 pha trong một thời điểm để điều khiển động cơ. Vì thế khi dòng đặt của pha nào bằng không thì pha đó sẽ bị cách ly khỏi mạch tức là 2 van nối với pha đó đều đóng. Ví dụ: Khi I A*  0 thì các van T1,T4 đều đóng I B*  0 thì các van T3,T6 đều đóng IC*  0 thì các van T2,T5 đều đóng
210 Việc đóng mở các van để tạo nên trình tự này phụ thuộc vào vị trí hiện tại của rotor. Các góc 60o là các thời điểm quan trọng và các giá trị dòng đặt sẽ thay đổi tác động lên khâu relay điều chỉnh các van PWM. Sau đây là trình tự dẫn của các van transistor: TT 1 2 3 4 5 6 T1 1 1 0 0 0 0 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 2 3 Eb 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 dòng đặt của động cơ BLDC Do đặc tính dẫn dòng 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 dòng điện và sức điện động được minh hoạ trên hình hình 7.16
211 2. Điều khiển tốc độ động cơ Giá trị dòng điện một chiều là đại lượng đầu ra của khâu điều khiển tốc độ, khi thay đổi giá trị dòng một chiều thì đồng nghĩa với việc thay đổi tốc độ và mômen của động cơ. Điều đó khiến ta liên tưởng đến động cơ một chiều. Giá trị dòng một chiều được đặt cho bộ điều khiển dòng điện như đã nói ở trên để tạo ra các dòng điện 3 pha có dạng hình chữ nhật. Giá trị đo tốc độ có thể lấy được từ bộ phận encoder hoặc máy phát tốc. Thường động cơ được cấp thêm cảm biến Hall để nhận biết góc quay 60o và chuyển mạch ở khâu điều khiển dòng như đã nói ở trên. 7.3. ĐỘNG CƠ BƢỚC Động cơ bước (stepping motor) là cơ cấu chấp hành được thiết kế quay theo góc xác định gọi là bước góc với mỗi xung điện được cấp cho stator từ bộ điều khiển. Động cơ bước được sản xuất theo tiêu chuẩn bước góc hoặc theo công suất. Dải bước góc của động cơ từ 0,720 đến 900 tương ứng với 1,80, 7,50, 150, 900. Động cơ bước được dùng trong hệ thống điều khiển vị trí dạng số theo chế độ hở. Các lệnh vào là dạng dãy xung làm quay trục theo góc xác định. Động cơ bước có thể điều khiển cả về vị trí và tốc độ (dải tốc độ từ 0-300 vòng/phút) mà không cần mạch phản hồi vẫn đảm bảo độ chính xác vị trí. Với công nghệ hiện nay, công nghiệp đã sản xuất được động cơ bước lớn nhất là 2kW. Sử dụng động cơ bước có nhiều ưu điểm, một là tương tích với hệ thống điều khiển trực tiếp bằng mạch số; hai là không cần bộ cảm biến vị trí và tốc độ mà nhận trực tiếp bằng cách đếm xung vào và đếm tuần hoàn nếu cần thông tin về tốc độ; ba là ít gây tiếng ồn và sai số tích lũy chiều dài chuyển động. Động cơ bước điều khiển tín hiệu số được sử dụng khá rộng rãi trong máy điều khiển số NC, máy in, robot, máy photocopy và các máy khác. Động cơ bước có ba kiểu: động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (Permanent Motor), động cơ bước có từ trở biến đổi VRM (Variable reluctance stepper Motor) và động cơ bước kết hợp từ hai loại động cơ bước PM và VR gọi là động cơ bước lai (hybrid stepper Motor). Do có sự phát triễn của hệ thống điều khiển nên kiểu động cơ lai ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Sau đây trình bày nguyên lý làm việc, kết cấu và hệ điều khiển cho từng loại động cơ bước. Bước góc ứng với một xung vào phụ thuộc vào kết cấu của động cơ bước và hệ thống điều khiển được sử dụng. Bước có bước góc 450 cho ta số bước ứng với một vòng quay là 3600/450 = 8 bước; bước có bước góc 1,80 cho ta số bước ứng với một vòng quay là 3600/1,80 = 200 bước; v. v… Góc tổng được quay bởi rotor bằng bước góc nhân với số bước. Công thức trong trường hợp trên là; Bước/ vòng = 3600/ (7.15)  =   bước (7.16) Trong đó:  = bước góc  = tổng góc quay của động cơ Tốc độ của động cơ bước là hàm của bước góc và tần số bước:
212 βf n (7.17) 360 Trong đó: n = tốc độ (vòng/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) có 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 hóa 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 góc 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 góc 22,50 (hình 7.17b). Nếu khử kích thích pha A và pha B vẫn giữ kích thích, rotor sẽ chuyển động tiếp một góc 22,50. Đảo chiều dòng điện pha B, rotor sẽ chuyển động theo chiều ngược lại, do đó dễ dàng hình dung phương pháp đảo chiều chuyển động rotor. Để đơn giản hóa qui trình chuyển nạch điện tử trên stator, trên stator ta đặc hai cuộn dây cho một pha. A1 N N B1 S S S N S N S N N N S S B2 A2 (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 có chung vỏ máy và rotor có chung một trục. Cấu tạo các rãnh và rãnh stator-rotor được trình bày trên hình 7.17a. Cở răng và số răng trên stator-rotor bằng nhau. Các đoạn trên stator có dây quấn kích thích, còn rotor thì không. Mạch điện đơn giản cấp điện cho stator trình bày trên hình 7.17b. Tám cuộn dây stator nối đến nhóm hai cuộn dây hình thành bốn mạch điện độc lập gọi là pha. Mỗi pha có nối đến một công tắc K, ở đây trình bày là công tắc cơ khí nhưng trong thực tế công tắc K là chuyển mạch điều khiển điện tử.
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 có 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, mômen 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, mômen bằng không, 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 không có từ dư vì vậy không 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 có thêm nam châm vĩnh cửu được đặt dọc trục giữa hai đoạn rotor có dạng mặt trụ hình khuyên. Các đoạn rotor được làm bằng thép non và tạo răng ép vào trục rotor. Vì có nam châm vĩnh cửu nên tất cả các răng ở một đầu rotor trên một đoạn có cùng cực tính và các răng ở đoạn đầu kia rotor có cực tính ngược lại. Hai bộ răng này lệch nhau nửa bước răng. Số răng trên
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 khóa với cực từ N stator, đồng thời ở phía dưới stator răng rotor (cực N) được kéo vào vị trí và khóa với cực từ S stator. Rotor ở vị trí này, có lực đẩy cân bằng nhau, nên đây là vị trí ổn định và tổng mômen trên trên rotor bằng không. 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 khóa 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 có bước chính xác hơn động cơ nam châm vĩnh cửu khi tăng số răng xếp chồng và cộng thêm cặp xếp trên rotor. Pha A1 Đánh dấu Stator N Pha B
215 Trong thực tế, trên các cực từ người ta lắp hai cuộn dây để có thể dễ dàng thay đổi cực tính.    CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Khi đưa điện áp xoay chiều một pha vào động cơ xoay chiều một pha có vành góp thì trong đó xuất hiện các sđđ nào, tính chất của chúng ra sao?
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 có 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   
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