Giáo trình Điện tử công suất - Chương 7: Điều khiển động cơ điện một chiều
- Truyền động điện: (TTĐ) là hệ thống (HT) biến đổi điện năng thành cơ năng cung
cấp cho các máy móc công nghiệp, là HT cung cấp sức kéo bằng điện (tiếng Anh gọi là electric
drive). Truyền động điện còn có nghiã là nối trục bằng điện theo sơ đồ sau:
Cơ (nguồn) --> [Máy phát điện] --> Điện --> [dây dẫn] --> [Đcơ điện] --> Cơ (tải)
Sơ đồ này có thể gặp trong các phương tiện vận tải (tàu biển, xe lửa) và nhất là các máy
móc cần nhiều trục quay có phối hợp tốc độ với nhau.
- Đặc tính cơ, mặt phẳng đặc tính cơ và điểm làm việc: Cũng như các bộ biến đổi
(BBĐ) của điện tử công suất, BBĐ điện cơ cũng có hai biến trạng thái chính: Momen M và tốc
độ ω. Với một bộ thông số của hệ thống (hay động cơ), ta có một quan hệ M(ω) gọi là đặc tính
cơ của động cơ và với một tải cụ thể, ta có quan hệ momen cản chuyển động theo tốc độ Mc(ω)
gọi là đặc tính cơ phụ tải. Đặc tính cơ được vẽ trong mặt phảng pha M, ω được gọi là mặt
phẳng đặc tính cơ (tương tự như mặt phẳng tải UO,IO của điện tử công suất) chia làm 4 phần tư
đánh số từ I đến IV. Điểm làm việc của động cơ là một điểm (M,ω) trên đặc tính cơ, cho biết
qua hệ giữa hai thông số này ở một thời điểm
Tóm tắt nội dung Giáo trình Điện tử công suất - Chương 7: Điều khiển động cơ điện một chiều, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút "TẢI VỀ" ở trên
c định bằng một D flip-flop như trên hình VII.2.15a, vi mạch 4013 là D flip-flop kích cạnh lên, làm cho Q = 1 khi A sớm pha hơn B góc π/2 và ngược lại. Vị trí trục động cơ có thể xác định bằng cách đếm xung, người ta thường dùng bộ đếm lên xuống có đặt trước (preset) như họ vi mạch 74193 tác động bằng hai ngỏ vào xung đếm lên CU và đếm xuống CD (hình VII.2.15b). Tốc độ có thể đánh giá qua số xung trong đơn vị thời gian hay qua chu kỳ xung. Từ các sơ đồ hình VII.2.15, có thể lập trình vi xử lý để thực hiện cùng công việc, thao tác kích cạnh lên có thể thay thế bằng ngắt ngoài. Khi không cần chính xác, ta có thể phản hồi điện áp đặt vào động cơ. Với các sơ đồ điều khiển đã được giới thiệu, áp đặt vào động cơ được giữ ổn định, khắc phục các sụt áp của BBĐ vốn khá lớn khi hoạt động vòng hở, nhất là trong trường hợp dòng tải gián đoạn (xem phần đặc tính ngoài của bộ chỉnh lưu – ). Khi đó động cơ chỉ còn sụt tốc theo tải, để ý phương trình . Trang 20/ chuong 7 DK Dco Mchieu Bài giảng Điện tử công suất II A THUẬN NGHỊCH A B 4013 5 1 3 2 4 6 D Q CLK QR S Hình VII.2.15 (a) Trích thông tin chiều, (b) Tạo xung đếm lên CU, đếm xuống CD từ xung AB của bộ phát tốc xung B R2 10k U1A 4013 5 1 3 2 4 6 D Q CLK QR S CU R1 10k VCC CD VCC U1B 4013 9 13 11 12 10 8 D Q CLK QR S A đếm lên đếm xuống Bù sụt tốc do tải (dòng điện): Sụt tốc theo tải có thể được bù bằng một lượng phản hồi dương theo dòng điện, cho phép áp đặt vào động cơ tăng lên khi tải tăng. Trong các hệ thống rẻ tiền, người ta sử dụng phản hồi âm áp, dương dòng để ổn định tốc độ. Có thể chứng minh là với các tỉ lệ thích hợp, sơ đồ này tương đương với phản hồi tốc độ, khi đó nó được gọi là phản hồi cầu tốc độ. Tuy nhiên, trong thực tế sụt tốc theo tải không là hàm tuyến tính nên không thể được bù hoàn toàn. VII.3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC: 1. Nguyên lý hoạt động, phân loại: Động cơ bước thường dùng làm phần tử chấp hành trong các hệ thống tự động, có rotor chuyển động từng góc xác định (gọi là bước) khi các cuộn dây được cung cấp một xung dòng điện, và nhờ xung dòng này để giữ ở vị trí mới cho đến xung kế tiếp. Nhờ đó, nó là phần tử lý tưởng cho các hệ thống điều khiển vị trí với các ưu điểm: trực tiếp điều khiển vị trí – không thông qua tốc độ, chỉ cần điều khiển vòng hở và dùng kỹ thuật số. Nhược điểm lớn nhất là chỉ có thể chế tạo được loại công suất bé. Có ba loại động cơ bước: Hình VII.3.1 : Động cơ bước loại từ trở (a) Cuộn dây 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 Cuộn dây 2 0 1 0 0 1 0 0 1 0 Cuộn dây 3 0 0 1 0 0 1 0 0 1 Cực từ X Y X Y X Y X Y X Cuộn dây 1 2 3 1 2 3 1 2 3 thời gian ---> và luật điều khiển (b) - Động cơ bước loại từ trở (reluctance type) hình VII.3.1, rotor là khối sắt từ có những răng di chuyển trước những cuộn dây sao cho từ trở mạch là bé nhất tương ứng lực hút (holding torque) lớn nhất khi cuộn dây tương ứng có dòng điện. Phụ thuộc vào thứ tự kích xung các cuộn dây ta có sự di chuyển của rotor. Với sơ đồ hình VII.3.1a, động cơ có 3 cuộn dây và 4 răng, cần 6 xung để rotor đi được ½ vòng như hình VII.3.1b. - Động cơ bước loại nam châm vĩnh cửu: có rotor là nam châm vĩnh cửu có lực kéo mạnh hơn vì kết hợp lực nam châm điện của cuộn dây và nam châm rotor. Hình VII.3.2a trình Trang 21/ chuong 7 DK Dco Mchieu Bài giảng Điện tử công suất II A bày cấu tạo của động cơ hai cuộn dây có điểm giữa và rotor là 3 nam châm. Dòng điện chảy qua cuộn 1a làm cặp cực từ 1 có cực tính như hình vẽ, và cực tính này sẽ đão lại nếu kích vào 1b. Như vậy cũng có thể xem động cơ này có 4 cuộn dây một cực tính hay hai cuộn dây làm Hình VII.3.2a: Động cơ bước loại dùng rotor nam châm Hình VII.3.3: So sánh momen ở hai cách điều khiển Cuộn dây 1a 1000100010001 Cuộn dây 1b 0010001000100 Cuộn dây 2a 0100010001000 (b) Cuộn dây 2b 0001000100010 thời gian ---> Cuộn dây 1a 1100110011001 Cuộn dây 1b 0011001100110 Cuộn dây 2a 0110011001100 Cuộn dây 2b 1001100110011 thời gian ---> Hình VII.3.2b: Hai luật điều khiển việc 2 cực tính. Sơ đồ xung điều khiển động cơ hình VII.15.b và 3.15.c khác nhau ở chỗ mỗi lúc có 1 và 2 cuộn dây có điện (single winding và two winding). Hình VII.3.3 trình bày momen giữ (holding torque) theo vị trí rotor ứng với hai trường hợp điều khiển của động cơ rotor nam châm vĩnh cửu, gốc tọa độ lấy ở tâm một cuộn dây. Momen sẽ cực đại khi trục cực từ rotor cùng cực tính có hoành độ bằng không và cực tiểu (âm) khi ngược cực tính. Nhận xét là điều khiển với hai cuộn dây có điện cho ra momen lớn hơn nhưng tiêu tán năng lượng nhiều hơn. - Thường gặp hơn là loại động cơ bước hỗn hợp với rotor là nam châm vĩnh cửu nhưng có cả răng như hình VII.3.4. Khi đó với mỗi xung, rotor sẽ quay một góc để có một răng ở cực kế tiếp có từ trở là bé nhất (diện tích đối diện rotor-xtator lớn nhất). Với sự bố trí Hình VII.3.4: Động cơ bước hỗn hợp các răng trên xtator và rotor thích hợp, ta có thể tăng độ phân giải của động cơ lên rất cao, ví dụ 200 hay 400 bước cho một vòng quay. - Hình VII.3.5 cho ta sơ đồ nối dây động cơ bước loại 5 pha nối sao, mạch động lực gồm 5 nửa cầu (10 ngắt điện) được điều khiển để 5 ngỏ ra có cực tính theo trình tự trên cho 1 chiều quay. Nguyên tắc là các ngỏ ra thay đổi trạng thái theo thứ tự 5 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1 (hình VII.17) cho một chiều quay và ngược lại cho chiều ngược. Trang 22/ chuong 7 DK Dco Mchieu Bài giảng Điện tử công suất II A Terminal 1 ++++-----+++++-----+ Terminal 2 ---+++++-----+++++-- Terminal 3 ++-----+++++-----+++ Terminal 4 -+++++-----+++++---- Terminal 5 -----+++++-----+++++ time ---> Hình VII.3.5: Động cơ bước 5 pha nối sao. b. Sơ đồ điều khiển: Hình VII.3.6a và VII.3.6b cho ta sơ đồ nguyên lý mạch động lực điều khiển động cơ bước của hai loại từ trở và nam châm vĩnh cửu (hay hổn hợp). Tín hiệu điều khiển (control signals) tác động các ngắt điện điện tử (switches) – thường là transistor (BJT hay FET), đóng ngắt các cuộn dây động cơ (motor windings) vào nguồn cấp điện một chiều (supply). Hình VII.3.6: (a) (b) Hình VII.3.7: (a) (b) Hình VII.3.7 (a) và (b) cho ta hai sơ đồ logic để điều khiển động cơ bước rotor nam châm vĩnh cửu loại 4 cuộn dây, đóng điện mỗi lần hai cuộn dây. Xung điều khiển bước (take step) đưa vào chân xung nhịp C (CLK) của D flip flop. sơ đồ (b) cho phép đảo chiều quay từ tín hiệu chiều (direction) điều khiển cổng EX–OR của xung điều khiển bước. Cuộn dây động cơ bước có thể được xem như một tải RL bình thường, nhưng để có dạng dòng tối ưu: nhanh chóng đạt được biên độ lớn (để cho ra momen quay lớn), sau đó giảm dòng về giá trị bé (hạn chế phát nóng cuộn dây) đủ giữ rotor đứng yên, sơ đồ hình VII.3.8 có thể Trang 23/ chuong 7 DK Dco Mchieu Bài giảng Điện tử công suất II A được dùng. Áp cung cấp tăng lên khá cao (24V) và dùng R3 hạn dòng cho phép xác lập dòng điện lớn qua cuộn dây nhanh chóng với Q1 và Q2 cùng đóng. Khi rotor động cơ đến vị trí mới: Q1 tắt, nguồn cấp điện cuộn dây chỉ còn 12 V qua D1, đảm bảo dòng điện duy trì cho đến khi có xung bước mới. Các sơ đồ động lực hình VII.3.7 hay VII.3.8 chỉ tạo ra xung một cực tính, thích hợp nhất với loại 4 cuộn dây (6 đầu ra), với một số loại khác (3, 5 pha) hay công suất lớn ta cần xung 2 cực tính. Lúc đó mỗi cuộn dây sẽ được nối với một cầu 4 transistor (BBĐ 4 phần tư) hay các đầu dây động cơ được nối với một cầu nhiều pha (nghịch lưu nhiều pha) với sơ đồ phát xung trên với một ít thay đổi. Tín hiệu điều khiển Dòng qua cuộn dây ĐK1 ĐK1 ĐK2 ĐK2 R4 Q2 D1 Q1R2 12V 24V R1 R3 R5 Hình VII.3.8: Mạch lái cuộn dây 1 cực tính Trang 24/ chuong 7 DK Dco Mchieu Bài giảng Điện tử công suất II A PHỤ LỤC: TÓM TẮT CÁC PHƯƠNG ÁN TĐĐ CHỈNH LƯU – ĐỘNG CƠ (Theo Ion Boldea). Table 5.1. Phase controlled rectifier circuits Circuit type Power range Ripple frequency Quadrant operation ia eg i1 La + - ~V1 half wave single- phase below 0.5KW fs one quadrant half wave three- phase up to 50KW 3fs two quadrant ~ semi-converter single-phase up to 75KW 2fs one quadrant D? A B C semi-converter three-phase up to 100KW 3fs one quadrant ~ full converter single-phase up to 75KW 2fs two quadrant A B C full converter three-phase up to 150KW 6fs two quadrant ~ ~ Dual converter single-phase up to 15KW 2fs four quadrant A B C A B C Dual converter three phase up to 1500KW 6fs four quadrant Trang 25/ chuong 7 DK Dco Mchieu Bài giảng Điện tử công suất II A Sơ đồ điều khiển động cơ chấp hành một chiều Đây là sơ đồ điều khiển vòng kín của truyền động chấp hành (servo drive) dùng động cơ một chiều. Nó gồm có 2 vòng tốc độ (điện áp) và dòng điện tương tự như hình II.4.8 và có thể học thêm ở đây một số ý tưởng về mạch thực tế.
File đính kèm:
giao_trinh_dien_tu_cong_suat_chuong_7_dieu_khien_dong_co_die.pdf
