Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều

Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng Ch−ơng 1 Các ph−ơng 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 −u hoá quá trình sản xuất. Muốn có đ−ợc các tốc độ khác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy nh− tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động. ở đây chúng tôi chỉ khảo sát theo ph−ơng pháp thay đổi tốc độ động cơ truyền động. Tốc độ làm việc của động cơ do ng−ời điều khiển quy định đ−ợc 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 ng−ời ta dùng những ph−ơng pháp ổn định tốc độ. Độ ổn định tốc độ còn ảnh h−ởng 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 ph−ơng pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ nh−: • Điều chỉnh tham số. • Điều chỉnh điện áp nguồn. • Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ. ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến các ph−ơng pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều. 1.2 Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại và ph−ơng trình cơ bản của động cơ một chiều Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng 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 l−ợng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ ng−ời 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 đ−ợc đ−a 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 đ−a điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số l−ợng chổi than bằng số l−ợng cực từ ( một nửa có cực tính d−ơng 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. T−ơng tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ. Giá trị của mômen điện từ đ−ợc tính nh− sau: IkI a2 n.p m Φ=ΦΠ= Trong đó các p: số đôi cực của động n: số thanh dẫn phần ứng d−ới 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 ph−ơng pháp kích từ ng−ời ta chia động cơ điện một chiều ra các loại nh− sau: - Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng - 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. Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng 1.2.4 Các ph−ơng trình cơ bản của máy điện một chiều Điện áp phần ứng: Sức điện động phần ứng: KE = Mômen phần ứng: Công suất điện từ. Từ thông kích từ: Trong đó các đại l−ợng: t− I,I : là dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ. U: điện áp của l−ới điện một chiều. E: Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây rôtor khi nó quay trong từ tr−ờng do cuộn dây kích từ tạo ra. −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. 321 K,K,K : là các hằng số tỷ lệ. 1.3 Các ph−ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Từ ph−ơng trình cơ bản ta thấy có rất nhiều ph−ơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng ở đây chúng tôi chỉ để cập đến các ph−ơng 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, ph−ơng 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 đ−ợc sử dụng chủ yếu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Điều đó đ−ợc rút ra từ ph−ơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. ( ) M.k RR k U 2 −p− Φ +−Φ=ω Trong đó: R−và Rp− : là điện trở phần ứng và điện trở phụ mắc nối tiếp trong phần ứng. k : là hằn M : là mô Φ : là từ t U : điện á Từ ph−ơng trình trên ta thấy khi R−, Rp−, 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 l−u bán dẫn Để thực hiện ph−ơng pháp điều chỉnh này, cần phải có một nguồn cung cấp mà điện áp của nó có thể thay đổi đ−ợc để cung cấp cho phần ứng của động cơ. Các nguồn điện áp này th−ờng đ−ợc tạo ra bởi một bộ chỉnh l−u 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 l−u điôt. Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng Hình 1.5 Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh l−u 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 l−u có điều khiển. 1.3.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp Ph−ơng 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 l−ợng đ−ợc đ−a từ nguồn vào động cơ. Năng l−ợng này phần chủ yếu đ−ợc truyền qua trục của động cơ, phần còn lại đ−ợc tích ở dạng động năng và năng l−ợng điện từ. Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ năng l−ợng tích luỹ đó. Sơ đồ điều chỉnh xung áp của ĐCMC kích từ độc lập. Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ t−ơng đ−ơng 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 đ−ợc 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 đ−ợc cấp nguồn, nếu bỏ qua sụt áp trên khoá K thì Ut = U. Trong khoảng thời gian t2 khoá K ngắt. Do ảnh h−ởng 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 nh−ng ng−ợc dấu Ut = UD. Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng 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 ph−ơng pháp điều chỉnh xung theo độ rộng. Nếu giữ nguyên thời gian đóng khoá (t1= const) và thay đổi t2 thì ta có ph−ơng pháp điều chỉnh tần số xung. Ph−ơng pháp biến đổi độ rộng xung đ−ợc sử dụng phổ biến hơn vì nó cho phạm vi điều chỉnh rộng hơn. Ph−ơng pháp điều chỉnh tần số xung có sơ đồ đơn giản hơn nh−ng 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 Ph−ơng pháp điều chỉnh điện áp một chiều có đổi chiều quay Khi điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, ng−ời 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 nh−ng đổi chiều dòng kích từ. Sơ đồ nguyên lý thực hiện đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ độc lập theo ph−ơng pháp thay đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng Hình 1.9 Trong ph−ơng 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 đ−ợc nối với d−ơng nguồn, đầu B đ−ợc nối với âm nguồn. Trong khoảng thời gian t2 cho K2 và K4 đóng (K1 và K3 ngắt) thì đầu B của phần ứng đ−ợc nối với d−ơng nguồn còn đầu A của phần ứng đ−ợc nối với âm nguồn. Khi đó điện áp trung bình trên phần ứng động cơ là: ck 21 tb T )tt(U U −= Đặt: = ck 1t T U t⇒ Nh− vậy ta thấy bằng cách biến đổi γ ( thực chất là biến đổi t1 và t2) ta thấy không những biến đổi đ−ợc trị số của Utb mà còn thay đổi đ−ợc dấu của nó và nh− vậy ta chẳng những điều chỉnh đ−ợc tốc độ động cơ mà còn thực hiện đảo chiều quay. 1.4 Một số ph−ơng pháp điều khiển tốc độ dùng Transistor và Thyristor 1.4.1 Ph−ơng án điều khiển dùng Transistor Khi điều khiển tốc độ động cơ công suất nhỏ và điện áp phần ứng nhỏ ng−ời ta th−ờng 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 ph−ơng pháp điều khiển xung. Nguyenvanbientbd47@gmail.com 1.4.1.1 Ph−ơng 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 đ−a vào bazơ của T1 sẽ tạo thiên áp cho T1 do đó T1 mở. Tín hiệu ra trên emitor của T1 đ−a vào bazơ của T2 làm cho T2 và T3 làm việc dẫn đến điện áp phần ứng của động cơ đ−ợc 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 Ph−ơng án điều khiển có đảo chiều quay Nguyên lý làm việc: ở chế độ quay thuận: Ng−ời ta đ−a 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 d−ơng nguồn qua T1 đến phần ứng động cơ rồi qua T4 về âm nguồn, động cơ quay theo chiều thuận. Hà Ngọc Thắng Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều quay ở chế độ quay ng−ợc: khi cả 4 Transistor đều khoá, để động cơ quay ng−ợc lại ng−ời ta đ−a 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 d−ơng nguồn qua T2 đến phần ứng động cơ rồi qua T3 về âm nguồn. Động cơ quay theo chiều ng−ợc 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 12± V. Mạch phản hồi âm đ−ợc 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: Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng Khi Udk có cực tính d−ơng 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 nh− 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. Ng−ợc lại khi Udk có cực tính âm thì đầu ra 6 có điện áp d−ơng 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 d−ơng nguồn (+12V) qua T3 qua động cơ rồi về 0 làm cho động cơ quay theo chiều ng−ợc lại. Quá trình tự động giữ ổn định tốc độ động cơ giống nh− trên. 1.4.2 Ph−ơng án điều chỉnh dùng Thyristor Khi điều khiển động cơ có công suất lớn và điện áp phần ứng cao ng−ời ta cũng có thể dùng Transistor nh−ng phải sử dụng các Transistor đặc biệt có thể dùng với điện áp cao và dòng điện lớn. Tuy nhiên ph−ơng 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 ph−ơng 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. Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng 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 l−u 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 l−u.