Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương 2.2: Động cơ điện - Nguyễn Duy Anh

Nội dung text: Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương 2.2: Động cơ điện - Nguyễn Duy Anh

1. Chương 2: Động Cơ Điện (tt) TS. Nguyễn Duy Anh Khoa Cô Khí Boä moân Cô Ñieän Töû
2. Hãm động cơ điện xoay chiều KĐB Hãm ngược . a) Hãm ngược nhờ đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng . b) Hãm ngược nhờ đảo chiều quay
3. Hãm động cơ điện xoay chiều KĐB  Hãm động năng . Vì cuộn dây stato của động cơ là 3 pha nên khi cấp kích từ một chiều phải tiến hành đổi nối và có thể thực hiện theo một trong các sơ đồ sau. . Do động năng tích lũy, rôto tiếp tục quay theo chiều cũ trong từ trường một chiều vừa được tạo ra. Trong cuộn dây phần ứng xuất hiện một dòng điện cảm ứng. Lực từ trường tác dụng vào dòng cảm ứng trong cuộn dây phần ứng sẽ tạo ra mômen hãm và rôto quay chậm dần. Động cơ điện xoay chiều khi hãm động năng sẽ làm việc như một máy phát điện có tốc độ (do đó tần số) giảm dần. Động năng qua động cơ sẽ biến đổi thành điện năng tiêu thụ trên điện trở ở mạch rôto.
4. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch stato  Chỉ sử dụng cho động cơ rotor dây quấn
5. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stato
6. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều Tần số càng cao tốc độ đc càng lớn. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều thường kéo theo điều chỉnh điện áp, dòng điện hoặc từ thông của mạch stator. Tần số giảm dòng điện càng lớn, moment tới hạn càng lớn. Để tránh quá dòng U/f=const: Luật điều chỉnh tần số.
7. TỤ KHỞI ĐỘNG TỤ LÀM VIỆC 19
8. Động cơ điện xoay chiều 1 pha Dựa theo nguyên tắc của động cơ không đồng bộ ba pha, người ta chế tạo được những động cơ không đồng bộ một pha. Stato của loại động cơ này gồm hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc, một dây nối thẳng với mạng điện, dây kia nối với mạng điện qua một tụ điện. Cách mắc như vậy làm cho hai dòng điện trong hai cuộn dây lệch pha nhau và tạo ra từ trường quay.
9. Động cơ tụ chia vĩnh cửu (Permanent-split capacitor motor)  Một cách để giải quyết vấn đề động cơ một pha là xây dựng một động cơ 2 pha. Hai pha thu được từ nguồn điện một pha. Điều này đòi hỏi một động cơ với hai cuộn dây đặt cách xa nhau 90o, cấp bởi hai pha của dòng điện lệch nhau 900. Điều này được gọi là động cơ tụ chia vĩnh cửu. 23
10. Động cơ cảm ứng tụ hoạt động (Capacitor-run motor induction motor)  Điểm khác biệt của động cơ cảm ứng tụ hoạt động là khởi động động cơ với một tụ điện lớn để cho mô men khởi động lớn nhưng sau đó chỉ để lại một tụ điện nhỏ hơn để duy trì hoạt động khi động cơ đã tăng đủ tốc độ. Dạng này được sử dụng trong các ứng dụng có kích thước động cơ lớn. 25
11. Động cơ điện 1 chiều
12. Nguyên tắc hoạt động Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, 1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp. 29
13. Nguyên tắc hoạt động Pha 2: Rotor tiếp tục quay 31
14. Nguyên tắc hoạt động Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF). Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ. Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài). 33
15. Phân loại Tùy theo cách mắc mạch kích từ so với mạch phần ứng mà động cơ điện một chiều được chia ra: . Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từ được cấp điện từ nguồn một chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rôto. 35
16. Phân loại . Động cơ điện một chiều kích từ kích từ nối tiếp: Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. 37
17. Mở máy (khởi động) động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song  Nếu khởi động động cơ ĐMđl bằng phương pháp đóng trực tiếp thì ban đầu tốc độ động cơ còn bằng 0 nên dòng khởi động ban đầu rất lớn (Inm = Uđm/R~10 đến 20Iđm).  Như vậy nó đốt nóng mạnh động cơ và gây sụt áp lưới điện. Hoặc làm cho sự chuyển mạch khó khăn, hoặc mômen mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực động làm hệ truyền động bị giật, lắc, không tốt về mặt cơ học, hại máy và có thể gây nguy hiểm như: gãy trục, vỡ bánh răng, đứt cáp, đứt xích  Tình trạng càng xấu hơn nếu như hệ TĐĐ thường xuyên phải mở máy, đảo chiều, hãm điện như ở máy cán đảo chiều, cần trục, thang máy
18. Mở máy (khởi động) động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song
19. Đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ độc lập
20. Mở máy (khởi động) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp  Động cơ bắt đầu tăng tốc theo đặc tính cơ 1 từ điểm a đến điểm b. Cùng với quá trình tăng tốc, mômen động cơ giảm dần. Tới điểm b, tốc độ động cơ là w2 và mômen là M2=(1,1ữ1,3) Mđm thì tiếp điểm K2 đóng, cắt điện trở mở máy R2 ra khỏi mạch động cơ. Động cơ chuyển từ đặc tính cơ 2 sang làm việc tại điểm c trên đặc tính cơ 1. Thời gian chuyển đặc tính vô cùng ngắn nên tốc độ động cơ coi như giữ nguyên hay nói cách khác tại thời điểm chuyển đổi đặc tính tốc độ động cơ chưa kịp thay đổi do quán tính. Đoạn bc song song với trục hoành OM. Lúc nμy mômen động cơ lại tăng từ M2 lên M1, động cơ tiếp tục tăng tốc nhanh theo đặc tính cơ 1. Khi mômen động cơ giảm xuống còn M2 (ứng với tốc độ w1) thì điện trở mở máy R1 còn lại được cắt nốt ra khỏi mạch động cơ nhờ đóng tiếp điểm K1. Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm e trên đặc tính cơ tự nhiên và lại tăng tốc theo đặc tính này tới làm việc tại điểm A. Tại đây, mômen động cơ MĐ cân bằng với mômen cản MC nên động cơ sẽ quay với tốc độ ổn định wA.
21. Các trạng thái hãm của động cơ điện một chiều Hãm một hệ TĐĐ nhằm đạt được một trong các mục đích sau: . - Dừng hệ TĐĐ. . - Giữ hệ thống đứng yên khi hệ thống đang chịu một lực có xu hướng gây chuyển động. . - Giảm tốc hệ TĐĐ. . - Ghìm cho hệ TĐĐ làm việc với tốc độ ổn định. Ví dụ: giữ tốc độ đều khi xe điện xuống dốc, khi hạ xe kíp tải liệu, khi hạ vật cẩu ở cần trục ).
22. Các trạng thái hãm của động cơ điện một chiều Trạng thái hãm điện của động cơ là trạng thái động cơ sinh ra mômen điện từ ngược với chiều quay của rôto. Phương pháp hãm điện tỏ ra rất có hiệu lực trong tất cả các mục đích nêu trên. Khi hãm điện, trục động cơ không bị phần tử nào tỳ vào cả mà chỉ có mômen điện từ tác dụng vào rôto động cơ để cản lại chuyển động quay mà rôto đang có.
23. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Đặc điểm: Ñieän trôû maïch phaàn öùng caøng lôùn thì ñoä doác ñaëc tính cô caøng taêng daãn ñeán ñaëc tính cô caøng meàm vaø ñoä oån ñònh toác ñoä caøng keùm, sai soá vaän toác caøng lôùn. Phöông phaùp chæ cho pheùp ñeàu chænh vaän toác veà phía giaûm (do chæ coù theå taêng theâm ñieän trôû). Ñieän trôû theâm vaøo maïch phaàn öùng seõ taïo ra nhieät cho neân seõ gay toån hao coâng suaát. Daûi ñieàu chænh phuï thuoäc vaøo trò soá moâ men taûi. Taûi caøng nhoû (M1) thì daûi ñieàu chænh D1=wmax/wmin caøng nhoû. Phöông phaùp naøy cho daûi ñieàu chænh trong khoaûng D=5:1.
24. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
25. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập  Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
26. Động cơ bước 57
27. Ứng dụng  Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.  Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay  Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in
28. Phân loại động cơ bước Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được kích theo thứ tự liên tục. Hình dạng động cơ được mô tả trong hình hình trên cho phép quay 30 độ mỗi bước, đây là số lượng răng rotor và số cực stator ít nhất có thể dùng. Để giảm góc quay của một bước, ta sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn. Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các răng trên rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến 1.8 ứng với 200 bước. Với kết cấu cơ khí như hình sau cho phép góc quay nhỏ hơn rất nhiều so với hình trên.
29. Phân loại động cơ bước Trình tự kích và cách đảo chiều quay:
30. Phân loại động cơ bước  Cực 1 được ngừng kích hoạt, chuyển sang kích hoạt cực 2, các răng của lỗi rotor gần với cực 2 được hút lại gần và thẳng hàng với cực 2 và tạo thành một bước quay (ví dụ 1.8 độ).
31. Phân loại động cơ bước  Cực 3 được ngừng kích hoạt, chuyển sang kích hoạt cực 4, các răng của lỗi rotor gần với cực 4 được hút lại gần và thẳng hàng với cực 4 và tạo thành một bước quay tiếp theo. Một động cơ có bước quay 1.8 độ sẽ cần 200 bước để quay hết một vòng quay.
32. Phân loại động cơ bước  Động cơ đơn cực . Một số động cơ có dạng đơn cực. Có nghĩa là bạn chỉ cần điện áp nối đất (0V) và điện áp dương để vận hành chúng. Mạch điều khiển của loại động cơ này hết sức đơn giản và có thể được tạo bằng vài cổng lô gic. Nhưng nhược điểm của chúng là mô men quay thấp hơn so với động cơ hai cực. Loại động cơ này thường có 5, 6 hoặc 8 dây và thường được quấn với một đầu nối trung tâm trên các cuộn như sơ đồ hình sau:
33. Điều khiển toàn bước
34. Các chế độ điều khiển động cơ đơn cực  Kích pha dạng 1-1 . Dạng điều khiển này tiêu thụ năng lượng thấp nhất. Các cuộn dây được thay đổi lần lược. Tuy nhiên cách này lại có mô men thấp. Số bước 1a 2a 1b 2b 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
35. Các chế độ điều khiển động cơ đơn cực  Kích pha dạng 2-1 . Cách kích này tiêu thụ năng lượng và cho mô men quay giống với cách kích pha 1-1. Tuy nhiên nó tăng số lượng bước lên gắp đôi. Đây là dạng kết hợp của hai dạng kích trên. Số bước 1a 2a 1b 2b 1 1 0 0 1 2 0 0 0 1 3 0 0 1 1 4 0 0 1 0 5 0 1 1 0 6 0 1 0 0 7 1 1 0 0 8 1 0 0 0 9 1 0 0 1
36. Cách xác định dây cho động cơ  Để phân biệt hai cặp dây của động cơ đơn cực 5 dây, trước tiên chúng ta dùng Ohm kế để xác định dây nối trung tâm. Áp điện áp xoay chiều vào dây trung tâm và một trong 4 dây còn lại. Dùng Volt kế xoay chiều đo điện áp giữa dây nối trung tâm và 3 dây còn lại. Chúng ta sẽ thấy rằng điện áp giữa dây trung tâm với 2 trong 3 dây còn lại đó gần như bằng không, và với dây thứ ba thì gần như bằng điện áp xoay chiều áp vào động cơ. Như vậy, hai dây cho điện áp gần bằng 0 là một cặp, hai dây còn lại sẽ là cặp thứ hai.  Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây. Chú ý là một vài động cơ nam châm vĩnh cửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ. Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao. Nếu chúng được nối song song, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp. Nếu chúng được nối tiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như với động cơ đơn cực điện thế thấp.