Động cơ điện

Trang này nói về các động cơ điện. Một số đề tài của sinh viên hay những người chơi điện tử nghiệp dư có liên quan đến động cơ điện, điển hình là các robot trong các cuộc thi Robocon, nhưng lại có ít người quan tâm đúng mức đến động cơ. Chẳng hạn, động cơ một chiều thường chỉ được quan tâm đến điện áp, dòng điện, công suất chứ ít ai để ý đến quá trình khởi động, các phương pháp điều chỉnh tốc độ tổng quát. Hay lấy ví dụ động cơ vạn năng, người ta chỉ cần biết rằng đóng điện một chiều hay xoay chiều vào thì nó đều quay cùng chiều, chứ ít ai để ý đến sự khác biệt khi động cơ làm việc với hai dạng sóng dòng điện khác nhau.

Nếu bạn nhận thấy trang web này có ích, mong bạn chỉ phổ biến liên kết đến trang này chứ không sao chép nội dung của trang này đến nơi khác. Xin chân thành cám ơn bạn!


 


Động cơ một chiều

Sơ lược về nguyên tắc hoạt động

Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. Chính xác hơn, lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ cường độ dòng điện I. Dòng điện phần ứng được đưa vào rôto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp. Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗi thanh dẫn phần ứng được đổi chiều khi thanh dẫn đi đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó vừa đi qua (điều này làm cho lực điện từ được sinh ra luôn luôn tạo ra mômen theo một chiều nhất định).


Mở máy (khởi động) động cơ một chiều

Các động cơ một chiều khi khởi động có thể tiêu thụ dòng điện rất lớn so với dòng điện định mức. Sau đây là một ví dụ minh hoạ. Tôi sử dụng các số liệu của một động cơ thực do Aerotech chế tạo, với các thông số kỹ thuật được cung cấp tại www.aerotech.com. Xét động cơ có mã hiệu model là 1135, với công suất định mức là 200 W.

Xét theo phương diện mạch điện, ở trạng thái xác lập, dòng điện I đi qua mạch phần ứng của động cơ được biểu diễn bằng phương trình sau:

Dong dien phan ung cua dong co DC

với U là điện áp đặt vào mạch phần ứng, Ra là điện trở mạch phần ứng, và E là sức điện động phần ứng (tỷ lệ với tích của từ thông và tốc độ động cơ).

Theo đó, nếu bỏ qua tác dụng của điện cảm phần ứng, dòng điện định mức In và dòng điện khởi động Is của động cơ có thể được xác định bằng các phương trình:

Dong dien dinh muc va khoi dong

Tại thời điểm động cơ được đóng vào nguồn, động cơ đang ở trạng thái đứng yên, do đó tốc độ và sức điện động là bằng 0. Hiển nhiên, bạn có thể thấy dòng điện Is lúc này chỉ được giới hạn bởi điện trở mạch phần ứng, thường có giá trị nhỏ để giảm tổn hao trong dây quấn phần ứng. Dòng điện khởi động tại thời điểm đóng nguồn, do đó, thường có giá trị lớn hơn nhiều lần so với dòng điện định mức. Khi tốc độ động cơ tăng lên, sức điện động phần ứng cũng tăng theo, làm cho dòng điện giảm xuống. Một yếu tố khác là điện cảm phần ứng cũng làm chậm lại quá trình tăng dòng điện tại thời điểm đóng nguồn. Tuy nhiên, hằng số thời gian của mạch điện phần ứng thường nhỏ hơn hằng số thời gian của cơ hệ, gồm rôto và tải, nhiều lần. Do đó, dòng điện khởi động thường đạt giá trị khá lớn so với dòng điện định mức trước khi động cơ đạt được tốc độ đủ lớn để làm giảm dần dòng điện. Điều này được thể hiện rõ ở các động cơ công suất lớn, do đó người ta luôn luôn có biện pháp mở máy thích hợp để giữ cho dòng điện khởi động nằm trong một giới hạn an toàn.

Trở lại với động cơ thực của chúng ta trong ví dụ, động cơ được ước tính có dòng điện định mức khoảng 3.16A (hiệu suất định mức được ước lượng là khoảng 80%), ở điện áp định mức là 80V, với hằng số mômen là 0.17 Nm/A, do vậy sẽ có mômen định mức khoảng 0.53 Nm. Nếu bạn dùng PSIM để mô phỏng bài toán này, hãy đảm bảo là hằng số sức điện động kE (với tốc độ ωn tính bằng rad/s) và hằng số mômen kT thỏa mãn các phương trình sau:

Hang so suc dien dong va momen

Với các thông số như trên, và điện trở mạch phần ứng Ra = 1.4 ohm, tốc độ định mức ωn = 437 rad/s = 4175 rpm. Động cơ có điện cảm phần ứng La = 3.1 mH, do đó sẽ có hằng số thời gian của mạch điện là tE = 3.1 mH/1.4 ohm = 2.2 ms. Tại thời điểm bằng 3 lần tE, dòng điện phần ứng sẽ đạt 95% giá trị cực đại (bằng U/Ra), nếu rôto vẫn đứng yên. Tuy nhiên, rôto của động cơ tại thời điểm đó đã có thể đạt được một tốc độ nào đó, do đó chúng ta cần ước tính tốc độ của động cơ tại thời điểm đó, và từ đó tính ra sức điện động phần ứng.

Tốc độ động cơ trong quá trình quá độ (tăng tốc hay giảm tốc) có thể được biểu diễn như sau, nếu bỏ qua các thành phần phụ:

Phuong trinh dong luc hoc roto

với TE là mômen điện từ do động cơ tạo ra, TL là mômen tải, và J là mômen quán tính của hệ cơ rôto. Giả thiết mômen quán tính của tải bằng với mômen quán tính của động cơ, nghĩa là có giá trị 0.00035 kg.m². Tốc độ của động cơ tại t = 3tE = 6.6 ms có thể ước tính bằng dạng sai phân của phương trình trên. Mômen điện từ có thể tính tương ứng với 95% dòng điện cực đại U/Ra = 80/1.4 = 57.1A, nghĩa là mômen có giá trị 0.17 x 0.95 x 57.1 = 9.22 Nm.

Giả thiết động cơ làm việc với tải là mômen không đổi, có giá trị 0.53 Nm. Như vậy, độ thay đổi tốc độ của động cơ tính đến thời điểm t = 3tE sẽ là 3tEx(TE - TL)/J = 6.6 ms x (9.22 - 0.53) / (2 x 0.00035) = 81.9 rad/s. Ở tốc độ này (vì thực chất động cơ tăng tốc từ 0 rad/s, nên độ thay đổi cũng chính là tốc độ của động cơ), sức điện động phần ứng tương ứng sẽ là 81.9 x 0.17 = 13.9 V. Như vậy, dòng điện tại thời điểm này có thể ước tính sẽ mang giá trị (80 - 13.9)/1.4 = 47.2A. So với dòng điện định mức = 3.16A, nó lớn hơn 47.2/3.16 = 14.94 lần!

Thực tế là chúng ta đã tính gần đúng ở nhiều chỗ, do đó kết quả trong thực tế sẽ khác đôi chút, và cũng khác với những gì được mô phỏng trong PSIM như được minh họa dưới đây.

PSIM khoi dong dong co DC
Hình 1. Mô phỏng quá trình khởi động của động cơ DC, trong PSIM, ở áp nguồn 80V
Ia - dòng điện phần ứng (A), n - tốc độ động cơ (rpm - vòng/phút)

Bạn có thể thực hiện mô phỏng tương tự bằng cách mở tập tin 'dcm.sch' nằm trong thư mục 'examples\Motor Drives\' của PSIM. Bạn hãy đảm bảo động cơ có các thông số sau: Ra = 1.4, La = 0.0031, Rf = 40, Lf = 0.002, J (moment of inertia) = 0.00035, Vt = 80, Ia = 3.06, n = 4175, If = 2. Tải có giá trị 0.53 với J (moment of inertia) = 0.00035, và điện áp nguồn là 80V.

Bây giờ bạn hãy thử hình dung tình huống sẽ như thế nào nếu chúng ta đóng động cơ này vào nguồn 100V (động cơ được phép làm việc đến điện áp 104V, theo bảng thông tin kỹ thuật).

Lẽ đương nhiên là nhà sản xuất không thể để cho động cơ khởi động trực tiếp theo kiểu này, do đó các động cơ loại này đã được đưa ra thị trường với khả năng hạn chế dòng khởi động, như bạn có thể thấy trong bảng thông tin kỹ thuật (dòng điện khi động cơ đứng yên không vượt quá 5.5A đối với động cơ vừa xét). Tuy nhiên, chúng ta cần hiểu được hiện tượng để không phạm phải sai lầm đối với những hệ truyền động không được trang bị sẵn khả năng giới hạn dòng khởi động (chẳng hạn như khi bạn tự chế một bộ truyền động DC).


Điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Khi điều khiển tốc độ động cơ, đặc tính quan trọng nhất cần được xem xét là đặc tính cơ của động cơ. Đặc tính cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ, ở một điều kiện làm việc đã xác định trước (điện áp, điện trở mạch phần ứng, và từ thông kích từ cho trước).

Để xác định đặc tính cơ của động cơ, từ đó đưa đến các phương pháp điều khiển tốc độ khác nhau, chúng ta bắt đầu với phương trình cân bằng điện áp (ở trạng thái xác lập):

Phuong trinh dac tinh co 1

Ở trạng thái xác lập thì mômen điện từ TE bằng mômen tải TL. Các đại lượng mới gồm có: k-hằng số máy điện, chỉ phụ thuộc vào kết cấu máy, Φ-từ thông trong máy. Vậy đặc tính cơ của động cơ có thể biểu diễn như sau:

Phuong trinh dac tinh co 2

Ở một điều kiện làm việc đã xác định trước, quan hệ trên là một đường thẳng, cắt trục tung tại giá trị ω0, có độ dốc là −Ra/(kΦ)². Giá trị ω0 = U/(kΦ) là tốc độ của động cơ ứng với tải bằng 0, do đó được gọi là tốc độ không tải. Đặc tính cơ ứng với điện áp phần ứng định mức, kích từ định mức, và điện trở phần ứng tự nhiên được gọi là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ.

Từ phương trình đặc tính cơ trên, có thể thấy có 3 đại lượng có thể được thay đổi để điều chỉnh tốc độ động cơ, ứng với một giá trị mômen tải đã cho, đó là các đại lượng: U-điện áp đặt vào phần ứng, Ra-điện trở mạch phần ứng, và Φ-từ thông của động cơ. Từ đó dẫn đến 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, xét một cách tổng quát.

Khi thay đổi điện áp phần ứng, chúng ta chỉ thay đổi giá trị ω0 chứ không thay đổi độ dốc của đặc tính cơ, do đó các đặc tính cơ ứng với các điện áp phần ứng khác nhau sẽ là những đường thẳng song song nhau. Thông thường, điện áp làm việc của động cơ được thay đổi giảm dần từ điện áp định mức (vì lý do an toàn), do đó các đặc tính cơ sẽ thấp dần kể từ đặc tính cơ tự nhiên (nếu giữ từ thông định mức và điện trở phần ứng tự nhiên khi thay đổi điện áp phần ứng). Họ đặc tính cơ có thể thấy được trên hình 2.

Dieu chinh dien ap phan ung
Hình 2. Họ đặc tính cơ của động cơ DC khi điều chỉnh điện áp phần ứng

Điện trở phần ứng chỉ có thể được tăng lên từ giá trị điện trở phần ứng tự nhiên (thêm điện trở vào mạch phần ứng). Khi thực hiện điều này, chỉ có độ lớn của độ dốc của đặc tính cơ là bị ảnh hưởng (tăng lên), do đó các đặc tính cơ sẽ có cùng giá trị ω0 nhưng với độ dốc tăng dần khi điện trở phần ứng được tăng lên. Họ đặc tính cơ được thể hiện trong hình 3.

Dieu chinh dien tro phan ung
Hình 3. Họ đặc tính cơ của động cơ DC khi điều chỉnh điện trở phần ứng

Các động cơ nhỏ sử dụng nam châm vĩnh cửu không có khả năng điều chỉnh từ thông, nhưng các động cơ lớn hơn sử dụng dây quấn kích từ có thể thực hiện điều này. Tương tự như cách phân tích ở trên, trong trường hợp này cả giá trị ω0 lẫn độ dốc của đặc tính cơ đều bị thay đổi. Thông thường từ thông định mức trong máy đã khá gần với giá trị từ thông bão hòa, do đó cách thay đổi khả dĩ là giảm từ thông trong máy, khi đó ω0 sẽ tăng nhưng độ dốc còn tăng nhanh hơn. Họ đặc tính cơ có dạng như trong hình 4.

Dieu chinh tu thong
Hình 4. Họ đặc tính cơ của động cơ DC khi điều chỉnh từ thông

Họ đặc tính cơ cho phép xác định điểm làm việc ổn định mới của động cơ ứng với mỗi phương pháp điều khiển tốc độ, nếu chúng ta biết được các thông số làm việc mới của động cơ. Tuy nhiên, quá trình thay đổi tốc độ của động cơ từ điểm làm việc cũ đến điểm làm việc mới diễn ra như thế nào còn tùy thuộc vào cách thức mà chúng ta điều chỉnh tham số của động cơ trong mỗi phương pháp, đó là lý do có nhiều thuật toán điều khiển khác nhau như bang-bang, PI, PID, fuzzy logic, ...

Họ các phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng

Thông thường, các động cơ có thể được chọn từ công suất và tốc độ làm việc tối đa đối với một ứng dụng nào đó. Do đó, phương pháp điều khiển tốc độ được ưa thích trong trường hợp này sẽ là điều chỉnh điện áp phần ứng. Nhờ sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn, ngày nay người ta có thể chọn lựa một trong nhiều phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng. Dưới đây là một số phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phổ biến.

 


Động cơ không đồng bộ

 


Động cơ đồng bộ (nam châm vĩnh cửu)

 


Động cơ xoay chiều 1 pha

 

Trang này đã được viếng thăm 3276 lần, kể từ ngày 14/5/2006

 

Cập nhật ngày: 20/12/2006