Điều khiển động cơ điện một chiều - Chương 1

Điều khiển tốc độ là một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất. Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện làm việc mà

Chương 1

Các phương pháp điều khiển động cơ một

chiều

1.1 Khái niệm chung

Điều khiển tốc độ là một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối ưu hoá quá trình sản xuất Muốn có được các tốc độ khác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động ở đây chúng tôi chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ động cơ truyền động

Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định được gọi là tốc độ đặt Trong quá trình làm việc, tốc độ động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào các thông số nguồn, mạch và tải nên khi các thông số thay đổi thì tốc độ của

động cơ sẽ bị thay đổi theo Tình trạng đó gây ra sai số về tốc độ và có thể không cho phép

Để khắc phục người ta dùng những phương pháp ổn định tốc độ

Độ ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng đến giải điều chỉnh (phạm vi điều chỉnh tốc độ) và khả năng quá tải của động cơ Độ ổn định càng cao thì giải điều chỉnh càng có khả năng mở rộng và mômen quá tải càng lớn

Có rất nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ như:

• Điều chỉnh tham số

• Điều chỉnh điện áp nguồn

• Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ

ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều

1.2 Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại và phương trình cơ bản của

1.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo của động cơ điện gồm stator, rotor và hệ thống chổi than - vành góp Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) gồm các bối dây đặt trong rãnh của lõi sắt Số lượng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay Đối với

động cơ công suất nhỏ người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Rôtor (còn gọi là phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than - vành góp Kết cấu của giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc

và tự động duy trì áp lực tuỳ theo độ mòn của chổi than

Chức năng của chổi than - vành góp là để đưa điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng

và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ ( một nửa có cực tính dương và một nửa có cực tính âm)

1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có một dòng điện i chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ Giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

I k I a 2

n p

Π

= Trong đó các p: số đôi cực của động

n: số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ

a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng

k: hệ số kết cấu của máy

Và mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục

1.2.3 Phân loại động cơ một chiều

Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ điện một chiều ra các loại như sau:

- Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ đ−ợc cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ

Hình 1.1

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích đ−ợc mắc nối tiếp với phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích đ−ợc mắc song song với phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích thích, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại mắc song song với phần ứng

1.2.4 Các phương trình cơ bản của máy điện một chiều

Điện áp phần ứng:

Mômen phần ứng:

Công suất điện từ

Từ thông kích từ:

Trong đó các đại lượng:

t

ư,I

I : là dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ

U: điện áp của lưới điện một chiều

E: Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây rôtor khi nó quay trong từ trường do cuộn dây

kích từ tạo ra

ư

R : điện trở phần ứng của động cơ điện một chiều

] Wb [

Φ : từ thông kích thích của động cơ

] Nm [

M : mômen phần ứng của động cơ

n(vòng/phút): tốc độ quay của động cơ

3 2

1,K ,K

K : là các hằng số tỷ lệ

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

Từ phương trình cơ bản ta thấy có rất nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện

một chiều

ở đây chúng tôi chỉ để cập đến các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng của động cơ điện

Về nguyên tắc, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp có thể sử dụng cho các động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ Tuy nhiên trong thực tế nó được sử dụng chủ yếu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Điều đó được rút ra từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

( ) k . M

R R k

U

2

ư

ư

Φ

+

ư Φ

= ω

Trong đó:

Rưvà Rpư : là điện trở phần ứng và điện trở phụ mắc nối tiếp trong phần ứng

Từ phương trình trên ta thấy khi Rư, Rpư, M, k, Φ không đổi, nếu ta thay đổi U thì tốc độ góc ω của động cơ sẽ thay đổi

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng các bộ chỉnh lưu bán dẫn

Để thực hiện phương pháp điều chỉnh này, cần phải có một nguồn cung cấp mà điện áp của nó có thể thay đổi được để cung cấp cho phần ứng của động cơ Các nguồn điện áp này thường được tạo ra bởi một bộ chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển (Thysistor) hoặc không có

điều khiển (điôt)

Điểu chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ điều chỉnh điện áp và bộ chỉnh lưu điôt

Hình 1.5

Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển

Hình 1.6

Sơ đồ 1.5 muốn thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ ta phải sử dụng bộ điều chỉnh

điện áp

Sơ đồ 1.6 điện áp đặt lên phần ứng động cơ phụ thuộc góc mở của Thysistor của bộ chỉnh lưu có điều khiển

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp

Phương pháp điều chỉnh này là đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp một cách có chu

kỳ Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lượng được đưa từ nguồn vào động cơ Năng lượng này phần chủ yếu được truyền qua trục của động cơ, phần còn lại được tích ở dạng động năng và năng lượng điện từ Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ năng lượng tích luỹ đó

Sơ đồ điều chỉnh xung áp của ĐCMC kích từ độc lập

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ tương đương của bộ điều chỉnh xung áp

Hình 1.8: Biểu đồ thời gian điện áp và dòng điện

Trong hệ thống này nhờ một khoá chuyển đổi K (có thể là chuyển mạch cơ khí hay chuyển mạch điện từ) Mà phần ứng động cơ được đóng, ngắt một cách có chu kỳ vào nguồn điện một chiều có điện áp không đổi Trong khoảng thời gian t1 khoá K đóng, động cơ được cấp nguồn, nếu bỏ qua sụt áp trên khoá K thì Ut = U

Trong khoảng thời gian t2 khoá K ngắt Do ảnh hưởng của các điện cảm phía một chiều (điện cảm phần ứng động cơ và điện cảm phần lọc nếu có) dòng điện iu tiếp tục chảy qua điôt D Điện áp Ut ở giai đoạn này bằng sụt áp thuận trên điôt nhưng ngược dấu Ut =

UD

Từ đồ thị hình 1.8 ta thấy rằng trị số trung bình của dòng điện trong phần ứng itb quyết

định tốc độ động cơ Do đó, để thay đổi tốc độ động cơ chỉ cần thay đổi trị số của dòng

điện trung bình trong phần ứng itb Để thay đổi dòng điện trung bình itb có thể thay đổi t1 hoặc thay đổi t2 hoặc thay đổi cả t1 và t2 Nếu giữ nguyên chu kì đóng ngắt của khoá (Tck = const) thay đổi t1 thì ta có phương pháp điều chỉnh xung theo độ rộng Nếu giữ nguyên thời gian đóng khoá (t1= const) và thay đổi t2 thì ta có phương pháp điều chỉnh tần số xung Phương pháp biến đổi độ rộng xung được sử dụng phổ biến hơn vì nó cho phạm vi điều chỉnh rộng hơn Phương pháp điều chỉnh tần số xung có sơ đồ đơn giản hơn nhưng phạm vi

điều chỉnh hẹp vì nếu tăng t2 quá lớn thì Tck → ∞ nghĩa là về thực chất ý nghĩa điều chỉnh xung không còn nữa

1.3.3 Phương pháp điều chỉnh điện áp một chiều có đổi chiều quay

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, người ta thực hiện đổi chiều quay của nó theo nhiều cách khác nhau Nếu chiều của dòng điện kích từ cố định để đổi chiều quay của

động cơ phải đổi cực tính của điện áp nguồn đặt vào phần ứng Cũng có thể giữ nguyên

điện áp cực tính phần ứng nhưng đổi chiều dòng kích từ

Sơ đồ nguyên lý thực hiện đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ độc lập theo phương pháp thay đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Hình 1.9

Trong phương pháp điều khiển này các cặp van K1 và K3, K2 và K4 thay nhau đóng

ngắt Thực hiện đảo chiều bằng cách : trong thời gian t1 cho K1 và K3 đóng(K2 và K4 ngắt)

đầu A của phần ứng được nối với dương nguồn, đầu B được nối với âm nguồn Trong

khoảng thời gian t2 cho K2 và K4 đóng (K1 và K3 ngắt) thì đầu B của phần ứng được nối

với dương nguồn còn đầu A của phần ứng được nối với âm nguồn Khi đó điện áp trung

bình trên phần ứng động cơ là:

ck

2 1 tb

T

) t t ( U

U = ư

ck 1

t T

Ut

⇒

Như vậy ta thấy bằng cách biến đổi γ ( thực chất là biến đổi t1 và t2) ta thấy không những

biến đổi được trị số của Utb mà còn thay đổi được dấu của nó và như vậy ta chẳng những

điều chỉnh được tốc độ động cơ mà còn thực hiện đảo chiều quay

1.4 Một số phương pháp điều khiển tốc độ dùng Transistor và Thyristor

1.4.1 Phương án điều khiển dùng Transistor

Khi điều khiển tốc độ động cơ công suất nhỏ và điện áp phần ứng nhỏ người ta thường

dùng sơ đồ điều khiển bằng Transistor vì việc điều khiển Transistor rất dễ dàng tiện lợi,

mạch điều khiển đơn giản, độ tin cậy cao, đặc biệt khi sử dụng phương pháp điều khiển

xung

1.4.1.1 Phương án điều khiển tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều

quay dùng Transistor.

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều

quay dùng Transistor

T1 đóng vai trò tầng khuếch đại sơ bộ mắc theo kiểu Colletor chung (mạch lặp Emitor) T2 và T3 là tầng khuếch đại công suất mắc theo kiểu Darlington để có công suất ra lớn Chức năng của mạch do T2 quyết định còn T3 có tác dụng khuếch đại dòng điện ra

Nguyên lý hoạt động: khi có xung có điều khiển Uv đưa vào bazơ của T1 sẽ tạo thiên áp cho T1 do đó T1 mở Tín hiệu ra trên emitor của T1 đưa vào bazơ của T2 làm cho T2 và T3 làm việc dẫn đến điện áp phần ứng của động cơ được khuếch đại lên Xung điều khiển có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh tần số xung (độ rộng xung) dẫn đến Ube của T1 thay đổi làm cho Uce của T1 thay đổi theo, qua khuếch đại công suất T2 và T3 làm cho điện áp đặt vào phần ứng của động cơ một chiều thay đổi, do đó tốc độ động cơ thay đổi

1.4.1.2 Phương án điều khiển có đảo chiều quay

Nguyên lý làm việc:

ở chế độ quay thuận: Người ta đưa xung điều khiển Udk1 vào cực bazơ của T1 và T4 lúc này cả 2 Transistor T1 và T4 đều mở do đó có dòng điện đi từ dương nguồn qua T1 đến phần ứng động cơ rồi qua T4 về âm nguồn, động cơ quay theo chiều thuận

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều quay

ở chế độ quay ngược: khi cả 4 Transistor đều khoá, để động cơ quay ngược lại người ta

đưa xung điều khiển Udk2 vào cực bazơ của T2 và T3 dẫn đến cả hai Transistor T2 và T3

đều mở, dòng điện đi từ dương nguồn qua T2 đến phần ứng động cơ rồi qua T3 về âm nguồn Động cơ quay theo chiều ngược lại

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều động cơ dùng Transistor và khuếch đại thuật

toán

Hình 1.12 mô tả mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều quay dùng khuếch đại thuật toán và đèn bán dẫn công suất

Mạch gồm 2 tầng khuếch đại

• Tầng 1 là tầng khuếch đại điện áp đầu vào sử dụng bộ khuếch đại thuật toán 741

• Tầng 2 là tầng khuếch đại công suất dùng T1, T2, T3, T4 ghép kiểu Darlington Điện áp cung cấp cho tầng khuếch đại công suất là ± 12V Mạch phản hồi âm

được báo từ đầu ra cuối cùng của khuếch đại thuật toán D1, D2 là 2 điôt ổn định điện áp cho khuếch đại thuật toán Tụ C1và C2 cùng với R10 có tác dụng lọc thành phần xoay chiều do động cơ làm việc ở chế độ máy phát phát ra khi ta đổi chiều quay Rf là điện trở mạch phản hồi

Nguyên lý hoạt động:

Khi Udk có cực tính dương thì ở chân 6 của bộ khuếch đại thuật toán có điện áp âm đặt vào bazơ của T1 và T2 do T1 là loại npn và T2 là loại pnp do đó T1 khoá còn T2 dẫn Khi T2 dẫn thì âm nguồn (-12V) qua R5, qua T2 ( lúc này dẫn) đặt vào bazơ của T3 và T4 Cũng do T3 là loại npn, T4 là loại pnp do đó T3 bị khoá còn T4 dẫn Do T2 và T4 dẫn nên

có dòng điện đi từ 0 qua động cơ qua T4 rồi về âm nguồn (-12V) động cơ quay theo một chiều nhất định Đây là sơ đồ mạch phản hồi âm điện áp

Nguyên tắc giữ ổn định tốc độ như sau: Giả sử tốc độ động cơ giảm dòng điện Id tăng làm điện áp tại đầu ra là UR giảm Thông qua điện trở phản hồi Rf điện thế ở đầu vào chân 2 của khuếch đại thuật toán tăng lên vì U2 = Udk - UR mà Udk = cosnt nên UR giảm thì U2 tăng Khi điện áp ở đầu vào 2 của khuếch đại thuật toán tăng thì điện áp ở đầu ra 6 cũng tăng theo làm cho UR tăng UR tăng làm cho tốc độ động cơ tăng lên

Ngược lại khi Udk có cực tính âm thì đầu ra 6 có điện áp dương đặt vào bazơ của T1 và T2 Lúc này T1 và T3 dẫn còn T2 va T4 khoá, do đó sẽ có dòng đi từ dương nguồn (+12V) qua T3 qua động cơ rồi về 0 làm cho động cơ quay theo chiều ngược lại Quá trình tự động giữ ổn định tốc độ động cơ giống như trên

1.4.2 Phương án điều chỉnh dùng Thyristor

Khi điều khiển động cơ có công suất lớn và điện áp phần ứng cao người ta cũng có thể dùng Transistor nhưng phải sử dụng các Transistor đặc biệt có thể dùng với điện áp cao và dòng điện lớn Tuy nhiên phương án dùng Thyristor bị hạn chế vì giá thành linh kiện rất

đắt Khi điều khiển động cơ có điện áp phần ứng lớn lúc đó dùng Transistor là không hợp lý

ta phải sử dụng phương pháp điều khiển dùng Thyristor

Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập quay theo một chiều cố định dùng điôt và Thyristor

Hình1.13 - Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều dùng điôt và Thyristor

Trong đó:

D1, D2, D3, D4 làm thành mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì

L và D5 có tác dụng san bằng dòng điện

Thyristor T có tác dụng điều chỉnh điện áp ra của bộ chỉnh lưu