CHƯƠNG 4 ĐỘNG cơ DC và bộ GIẢI mã vị TRÍ

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp giảm áp thì moment ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định.. Đặc tính cơ của động cơ

CHƯƠNG 4:ĐỘNG CƠ DC VÀ BỘ GIẢI MÃ VỊ TRÍ

Tuỳ theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những đặt tính làm việc và đặt tính động cơ khác nhau Trong các đặt tính đó thì đặt tính quan trọng nhất là đặt tính cơ Đó là đặt tính biểu thị quan hệ giữa tốc độ quay và moment =f(M) f(M)

I Đặt tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập hoặc kích từ kích thích song song:

1 Phương trình đặt tính cơ

Mạch kích từ thường được mắc song song với mạch phần ứng nguồn điện một chiều có công suất lớn Động cơ được gọi là động cơ kích từ song song:

Khi mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ được mắc vào hai nguồn điện một chiều độc lập thì động cơ đó được gọi là động cơ lích từ độc lập:

Trong cả hai sơ đồ kích từ song song và kích từ độc lập, phương trình điện áp phần ứng động cơ đều có dạng :

Uư =f(M) Eư + (Rư + Rf ) Iư

Trong đó :

Uư : Điện áp phần ứng(V)

Rư : Điện trở cuộn dây phần ứng ()

rư : Điện trở cuộn dây phần ứng

rcf : Điện trở cuộn cực từ phụ

rb : Điện trở cuộn bù

rct : Điện trở tiếp xúc của chổi điện

Rf : Điện trở phụ kích từ trong mạch phần ứng()

Iư : Dòng điện mạch phần ứng (A) Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức :

Eư =f(M) (pN)/(2a)=f(M) K

Trong đó : p : số đôi cực từ chính

N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

A : số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

 : từ thông kích từ dưới một cực từ(Wb)

K : hệ số cấu tạo của động cơcó biểu thức :

a

pN K

 2



mặt khác ta có:

60

2 a

 

do đó từ biểu thức (2) ta có:

60

2 2

a a

pN



n a

pN

E   60

vậy : Eư =f(M) Ke  n

với : Ke : hệ số sức điện động của động cơ

a

pN

E ư

60



Từ (1) và (2) ta có:

u f u

K

R R K

U





Biểu thức (4) là đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác moment điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi :

Mđt =f(M) KIư

u 

Thay giá trị Iư vào (4) ta được :

dt f u

K

R R K

U

2 ) (

) (





Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì moment cơ trên trục động cơ bằng moment điện từ, ta ký hiệu là M, nghĩa là: Mđt =f(M) Mcơ =f(M) M

M K

R R K

U u u f

2 ) (

) (





Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông =f(M) const, thì các phương trình đặt tính cơ điện (4) và phương trình đặt tính cơ (7) là tuyến tính Đồ thị của chung được biểu diễn trên hình a và b

Theo các đồ thị trên, Iư =f(M) hoặc M=f(M) 0 ta có :

0





  

K

U u

0 : được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Còn khi =f(M) 0 ta có:

nm f u

R R

U





Inm : được goọi là dòng điện ngắn mạch

Mặc khác, phương trình đặc tính (4) , (7) cũng có thể viết dưới dạng:









    0 

K

RI K

U u u









   2  0  

)

(K

RM K

U u

Trong đó : R =f(M) Rư + Rf





K

Uu



0

2 ) ( 





K

RM K

RI u







 : được gọi làđộ sụt tốc đống với giá trị của M

2 Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặt tính cơ:

Từ phương trình đặc tính cơ (7) ta thấy có 3 tham số cơ bản ảnh hưởng đến đặc tính cơ:

 Từ thông động cơ

 Điện áp phần ứng Uư

 Điện trở phần ứng động cơ

a Aûnh hưởng của điện trở phần ứng :

Giả thiết : Uư =f(M) Uđm =f(M) const

Và :  =f(M) đm =f(M) const

Muốn thay đổi điện trở phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng

const K

U dm

dm







0

Độ cứng của đặc tính cơ :

Var R

R

K M

f u

dm















2 ) ( 





Khi Rf càng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc Ưùng với Rf =f(M)

0 ta có đặc tính cơ tự nhiên :

u

dm TN

R

) ( 

  

NT có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như hình vẽ Ưùng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và moment ngắn mạch càng giảm Cho nên người ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ

cơ bản

b Aûnh hưởng của điện áp phần ứng:

Giả thiết từ thông :  =f(M) đm =f(M) const

Điện trở phần ứng : Rư =f(M) const

Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm ta có :

K

U dm

x







0

Độ cứng đặc tính cơ :

u

dm TN

R

) ( 

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên như hình vẽ

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp ) thì moment ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định Do đó phương pháp này cũng để điều chỉnh tốc độ động

cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động

c Aûnh hưởng của từ thông :

Giả thiết điện áo phần ứng : Uư =f(M) Uđm =f(M) const

Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện Ikt kích từ động cơ Trong trường hợp này :

K

U dm





R

K

u







2 ) ( 



Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi từ thông giảm thì 0x tăng, còn  sẽ giảm Ta có một họ đặc tính cơ với 0x tăng và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông

Ru

U

Moment ngắn mạch : Mnm =f(M) KInm =f(M) Var

Các đặt tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biệu diễn trên hình trên

Với mạng moment phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động

cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên

II Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp :

Động cơ DC kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Do đó cuộn dây kích từ có tiết kiệm lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít và chế tạo dễ dàng Sơ đồ nguyên lý động cơ kích từ nối tiếp được mô tả như sau:

Ỏû động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện kích từ chính là dòng điện phần ứng Ikt =f(M) Iư=f(M) I

Phương trình đặc tính cơ : Uư =f(M) Eư + IưRư =f(M) K + IưRư

Trong đó: Rư =f(M) rư + rctf + rct + rkt

Từ phương trình trên ta có biểu thức :







K

RI K

U u u





2 ) ( 





K

M R K





Từ thông  iến đổi phụ thuộc vào dòng điện trong mạch kích từ phụ thuộc vào đặc tính từ hoá ( đường 1) Đây là một đường phi tuyến, để đơn giản

ta có thể giả thiết từ thông  phụ thuộc tuyến tính theo dòng điện kích từ như ở đường (2)

Trong một phạm vi khá rộng ta có thể biểu thị :

 =f(M) K Ikt

Với : K là hệ số tỷ lệ- chỉ là hằng số trong vùng I< 0.8 Iđm, còn khi I>(.8

0.9)I)Iđm thì hơi giảm xuống do ảnh hưởng bão hoà của mạch từ

Nếu phản ứng được bù đủ, nghĩa là Ikt =f(M) Iư thì :

 =f(M) K Iư

Từ phương trình (1) và phương trình (4) ta có :

B I

A KK

R I

KK

U

u







Trong phương trình trên ta đã đặt :



KK

U

A u

Ta cũng có :



KK

M

I u 

Từ phương trình (5) và (6) ta có thể rút ra :

B M

A B M

KK A









Biểu thức (5) chính là phương trình đặt tính cơ điện của động cơ và (5) là phương trình đặc tính cơ của động cơ Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ nối tiếp:

Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp :

Từ đồ thị ta thấy các đặc tính này có dạng Hyperbol và mềm ở phạm vi dòng điện có giá trị nhỏ hơn định mức Ơû vùng dòng điện lớn, do mạch bão hoà nên từ thông hầu như không đổi và đặc tính có dạng gần như tuyến tính

Giả thiết động cơ không tải (I=f(M) 0, M=f(M) 0) thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ vô cùng lớn Nhưng thực tế do có ma sát, các tổn thất phụ và động cơ có từ dư ( dư =f(M) 210)đm nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có giá trị là:

dm

u K

U



 

Tốc độ ot này thường rất lớn s với tốc độ định mức, nên thực tế không cho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải

Ngoài ra nhìn vào đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp và cấu tạo của nó ta có nhận xét sau :

và độ cứng thay đổi theo phụ tải Do đó thông số tốc độ của động cơ ta có thể biết được sự thay đổi của phụ tải Tuy nhiên không nên sử dụng động cơ này cho những truyền động có yêu cầu ổn định cao mà nên sử dụng nó cho những truyền động có yêu cầu tốc độ

Moment Nhờ cuộn kích từ nối tiếp nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từ thông động cơ lớn hơn định mức, do đó moment của nó tăng nhanh hơn với sự tăng dòng điện Như vậy với mức độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải về môment và khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập Nhờ có ưu điểm đó mà động cơ kích từ nối tiếp rất thích hợp cho những truyền động làm việc thường có quá tải lớn và yêu cầu moment khởi động lớn như máy nâng vận chuyển, máy cán thép

phần ứng nên khả năng chụi tải của động cơ không bị ảnh hưởng bởi sụt áp của lưới điện Loại động cơ này thích hợp cho những truyền động dùng ngành giao thông có đường cung cấp điện dài

III Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều :

1 Vấn đề điều chỉnh tốc độ

Hầu hết các máy sản xuất đều đòi hỏi phải có nhiều cấp độ khác nhau Việc chọn cấp tốc độ là do yêu cầu thực tế đặt ra Về phương diện này động

cơ điện một chiều có nhiều ưu việc hơn so với các loại động cơ khác Đó

chính là đặc tính điều chỉnh tốc độ dễ dàng nhờ đó mà có cấu trúc mạch điều khiển động lực khá đơn giản và đồng thời việc điều chỉnh có chất lượng tốt

2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông  :

Điều chỉnh từ thông kích thích cảu động cơ điện một chiều chính là điều chỉnh moment điện từ M=f(M) k.Iư và sức điện động Eư k  Iư của động cơ

Đối với động cơ kích từ nối tiếp thì từ thông  có thể thay đổi bằng những phương pháp sau đây:

 Mắc Sun dây cuộn kích thích bằng một điện trở:

 Thay đổi số vòng dây của dây cuốn kích từ

Nếu dòng điện kích từ lúc đầu là It =f(M) I thì dòng điện kích thích sau khi áp dụng các biện pháp trên sẽ giảm xuống còn It =f(M) KI với hệ số k :

1







st t

st R R

R

1

'





t

t

K





: Nếu thay đổi số vòng dây của dây cuốn kích thích

Do đó :  =f(M) KKI < đm =f(M) KI

Phương pháp này chỉ điều chỉnh được  < đm và tốc độ sẽ thay đổi được trong vùng trên định mức và đường đăc tính se õnằm về phía trên của đặc tính tự nhiên

Nếu mắc Sun phần ứng thì tổng trở của toàn mạch về phía trên sẽ giảm

đi, dòng điện I =f(M) It và từ thông  tăng lên và tốc độ quay sẽ giảm xuống Rõ ràng phương pháp này điều chỉnh được tốc độ dưói vùng định mức và đường đặc tính cơ tương ứng nằm ở phía dưới của đặc tính cơ tự nhiên Vì Rt rất bé nên Rsư hầu như đặt dưới toàn bộ điện áp của mạch nên tổn hao rất lớn và hiệu suất động cơ giảm đi nhiều Mặt khác hiệu quả của hiệu chỉnh tốc độ bằng cách tăng từ thông  còn bị hạn chế bởi sự bảo hoà của mạch từ nên phương pháp này ít được sử dụng

3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở vào mạch phần ứng

Phương pháp điều chỉnh này chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức và kèm theo tổn hao trên điện trở phụ nên làm giảm hiệu suất của động

cơ nên ít được sử dụng

4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng :

Phương pháp này chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức và không cho phép tăng địen áp quá định mức nhưng lại giữ được hiệu suất cao

do không gây tổn hao khi điều chỉnh Phương pháp này dùng bộ biến đổi phức tạp như cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ điều khiển dùng phương pháp chỉnh lưu …

5 Điều chỉnh tốc độ bằng phương điều rộng xung :

Điều áp bao gồm những xung có độ rộng thay đổi được và biên độ là hằng số Yêu cầu làm mạch có khả năng đóng ngắt tần số cao, có thể đóng ngắt cho từng ngắt khác nhau Các loại mạch này thích hợp cho mạch động lực dùng Transistor công suất, việc ngắt nhiều lần, nếu ta thay đổi được sóng hài bậc cao

Trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, ta nhận thấy để điều chỉnh tốc độ cần có dãi điều chỉnh rộng, đòi hỏi chất lượng điều chỉnh tốc độ cao Do đó chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp điều rộng xung là thay đổi được tON và fxung =f(M) 1/T =f(M) const

B Bộ giải mã vị trí

I Encoder số :

- Mỗi một Encoder số bao gồm một đĩa tròn với các vạch kẻ mẫu ở trên Các vạch mẫu này được đọc bởi các đầu cảm biến Đĩa này thường đi

kèm với trục quay của nó, trục này làm quay những mẫu phát ra tín hiệu cho mỗi vị trí nhận được Cách ghi các mã trên đĩa phụ thuộc vào các mẫu trên nó

- Phân loại theo cấu tạo vật lý thì hiện nay Encoder thường có 3 loại : Encoder tiếp xúc, Encoder từ trừơng và Encoder quay

1 Encoder tiếp xúc :

- Điểm tiếp xúc thực tế của loại Encoder này là giữa đĩa và đầu đọc thông qua chổi than Loại này có nhược điểm là tạo ra ma sát, hao mòn, bụi bẩn do mọt than, xuất hiện điện trở tiếp xúc, gây ra rung động… làm giảm độ chính xác và tuổi thọ

- Độ phân giải của Encoder phụ thuộc vào đường rãnh và độ chính xác nhỏ nhất của một rãnh có thể có được trên đĩa, độ phân giải có thể đạt 10 rãnh trên đĩa, Độ phân giải có thể tăng lên bằng cách ghép nhiều tầng đĩa hoặc dùng bộ đếm lên/xuống cho trạng thái cao nhất của bit

2 Encoder từ trường :

Đối với Encoder từ trường thì đĩa quay của nó được tráng một lớp vật liệu từ, trong đó những vạch mẫu không được phủ Các vạch này được đọc bằng một đầu đọc nam châm Rõ ràng với ưu điểm này thì Encoder từ trường có tuổi thọ cao hơn Encoder tiếp xúc

3 Encoder quang :

Encoder quang là loại thông dụng nhất nhờ có độ chính xác cao và dùng ánh sáng của bàn dẫn Encoder có 3 bộ phận : đĩa Segment có những phần trong suốt cho ánh sáng đi qua và những phần không cho ánh sáng đi qua, một nguồn sáng cùng với một hệ thống hỗ trợ chiếu sáng, bộ phân cảm biến ánh sáng ( Photocell )

Hầu hết Encoder được sản xuất với độ chính xác cao, một Segment có bề dày xấp xỉ 12 micros Độ phân giải của Encoder quang thông

thường có thể đạt đến 14 bits

Hiện nay trên thị trường có 2 loại Encoder số :

Bộ giải mã tuyệt đối ( Absolute Encoder ) :

Là loại thiết bị mã hóa mà các tín hiệu mã đầu ra song song để chỉ thị góc quay tuyệt đối của trục Loại này không cần bộ đếm để điếm xung mà vẫn có thể biết góc quay của trục thiết bị mã hóa

Cũng giống như nhiều loại Encoder khác, bộ giải mã tuyệt đối gồm một đĩa tròn, trên đó có những khoảng trong suốt và đục Aùnh sáng có thể xuyên qua những phần trong suốt đến bộ cảm biến quang ( Photo transistor ), khi đĩa

quay thì bộ cảm biế bật lên 1 và phần ánh sáng bị chặn bởi những phần đục làm cảm biến quang xuống 0 Như vậy cảm biến quang sẽ tạo thành những xung tuần tự:

Khi thiết bị mã hóa này được sử dụng với cùng một thiết bị khác, thì vị trí 0 của trục xem như góc tọa độ Khi trục của thiết bị mã hóa quay về tọa độ góc này thì góc quay có thể được hiển thị trên bộ chỉ thị của máy Tín hiệu đầu ra của thiết bị mã hóa không bị ảnh hưởng bởi nhiễu của thiết bị đóng, ngắt và không yêu cầu điều chỉnh góc quay chính xác Hơn nữa, thậm chí nếu tín hiệu mã hóa đầu ra không thể đọc vì trục quay quá nhanh, thì góc quay chính xác được ghi khi tốc độ quay giảm xuống, hoặc ngay khi nguồn cho thiết

bị mã hóa bị ngắt Thêm nữa, mã hóa sẽ không hoạt động do sự rung động của các thiết bịsử dụng nó

Loại thiết bị mã hóa tuyệt đối, có độ phân giải cao hơn và cho ra các giá trị thay đổi trong phạm vi rộng hơn so với thiết bị mã hóa tăng dần ( Incremental Encoder )

Thiết bị mã hóa tăng dần ( Incremental Encoder )

Là loại thiết bị mã hóa có dãy xung ra phù hợp với góc của trục quay Thiết bị mã hóa này không có xung ra khi trục không làm việc Do đó cần có một bộ đếám để xung ra

Thiết bị mã hóa cho biết vị trí của trục quay bằng số xung được đếm Dạng thiết bị mã hóa này chỉ có 1 hay 2 kênh ngõ ra :

+Loại 1 chiều ( chỉ có đầu kênh A ) là loại chỉ sinh ra xung khi trục quay

+Loại 2 chiều ( có đầu ra kênh A và B ) cũng có thể cho biết chiều của trục quay, nghĩa là thuận chiều kim đồng hồ Ngoài ra còn có đầu dây trung tính ( xung Z ) cho mỗi vòng quay, có nghĩa là nếu quay được 1 vòng thì xung Z lên 1

- khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ

-Khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ thì xung track 1 (B) trễ pha hơn xung track 2 (A)

-Ngược lại, khi đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ thì xung track 1 (B) nhanh pha hơn xung track 2 (A)

*Quay thuận chiều kim đồng hồ :