Chương 7
MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT
Động cơ điện xoay chiều một pha có vành góp nói chung có kết cấu tương tự
như MĐMC thông thường, chỉ khác là điện áp đặt vào là điện áp xoay chiều một
pha. Động cơ nầy được dùng nhiều.
7.1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT PHA CÓ VÀNH GÓP
7.1.1. sđđ biến áp và sđđ quay
1. Khái niệm về sđđ biến áp và sđđ quay
Khi đưa điện áp xoay chiều một pha vào dây quấn phần ứng của máy điện
xoay chiều có vành góp, nói chung trong chúng có hai loại sđđ cảm ứng:
+ Sđđ kiểu như mba gọi là sđđ biến áp Eba, vì sự liên hệ giữa dây quấn kích
thích và dây quấn phần ứng qua từ trường xoay chiều cũng tương tự như sự liên hệ
giữa các dây quấn sơ cấp và thứ cấp của mba.
+ Sđđ do phần ứng quay gây nên gọi là sđđ quay Eq, vì khi phần ứng quay
các thanh dẫn sẽ cắt các đường sức từ trường và gây nên sđđ cảm ứng giống như
trong máy điện một chiều thông thường.
22 trang |
Chia sẻ: nguyenlinh90 | Lượt xem: 835 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Giáo trình Máy điện 1 - Phần 5: Máy điện một chiều - Chương 7 Máy điện đặc biệt, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
198
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
MÁY ĐIỆN 1
2008
199
Chƣơng 7
MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT
Động cơ điện xoay chiều một pha có vành góp nói chung có kết cấu tương tự
như MĐMC thông thường, chỉ khác là điện áp đặt vào là điện áp xoay chiều một
pha. Động cơ nầy được dùng nhiều.
7.1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT PHA CÓ VÀNH GÓP
7.1.1. sđđ biến áp và sđđ quay
1. Khái niệm về sđđ biến áp và sđđ quay
Khi đưa điện áp xoay chiều một pha vào dây quấn phần ứng của máy điện
xoay chiều có vành góp, nói chung trong chúng có hai loại sđđ cảm ứng:
+ Sđđ kiểu nhƣ mba gọi là sđđ biến áp Eba, vì sự liên hệ giữa dây quấn kích
thích và dây quấn phần ứng qua từ trường xoay chiều cũng tương tự như sự liên hệ
giữa các dây quấn sơ cấp và thứ cấp của mba.
+ Sđđ do phần ứng quay gây nên gọi là sđđ quay Eq, vì khi phần ứng quay
các thanh dẫn sẽ cắt các đường sức từ trường và gây nên sđđ cảm ứng giống như
trong máy điện một chiều thông thường.
2. Xét sđđ biến áp
Giả sử khi đặt điện áp xoay chiều vào dây quấn kích thích K ở phần tỉnh máy
điện xoay chiều một pha (hình 7.1), từ thông do nó sinh ra sẽ đập mạch với tần
số f của lưới điện.
Giả thiết phần ứng đứng yên (n = 0): hiện tượng xảy ra như trong mba, ở đây
dây quấn sơ cấp là dây quấn kích thích còn dây quấn thứ cấp là dây quấn phần
ứng. Các thanh dẫn của dây quấn phần ứng ở hai bên trục của dây quấn kích thích
sẽ cảm ứng sđđ trái dấu nhau.
U K
Hình 7.1 Sđđ biến áp do từ thông m sinh ra trong dây quấn phấn ứng khi n = 0
Eba= 0 (a)
U K
(b)
Ebamax
m
E
2/
(c)
200
+ Khi chổi than AB trên đường trung tính hình học: Eba = 0
+ Khi chổi than AB đặt dọc trục dây quấn kích từ: Eba, max
Về tần số và trị số hiệu dụng của sđđ biến áp:
- Tần số f : là tần số f của lưới điện của điện áp xoay chiều.
- Trị hiệu dụng sđđ biến áp: mdqba fNkE 2
Trong đó: kdq = hệ số dây quấn
N = số vòng dây của một nhánh dây quấn phần ứng.
+ Khi chổi than AB dịch khỏi đường trung tính hình học một góc :
Eba() = Ebasin (7.1)
Còn khi phần ứng quay: Sđđ Eba không đổi, giống như khi đứng yên, còn tần
số của Eba là fba bằng tần số f của lưới điện.
3. Xét sđđ quay
Giả thiết từ thông m = C
t
và phần ứng
quay với tốc độ n, như vậy máy giống máy
điện một chiều thông thường. Vậy Sđđ cảm
ứng trong dây quấn phần ứng đã có ở máy
điện một chiều như:
n
a
pN
E mq
60
(7.2)
Ta thấy:
Sđđ Eq phụ thuộc vào n và m
Trong phần tử dây quấn sđđ nầy
có tần số
60
pn
fq
Trên chổi than sđđ một chiều,
nên tần số : f = 0.
Eq = Eqmax khi chổi than trên đường trung tính hình học.
Eq = 0 khi chổi than trên trục cực từ.
Còn khi chổi than lệch khỏi đường trung tính hình học góc .
cosEE q)(q (7.3)
Thực tế, từ thông m đập mạch với tần số f và phần ứng quay n, ta thấy:
Trong mỗi phần tử tồn tại hai sđđ:
+ Sđđ biến áp có tần số fba = f, là tần số của lưới điện.
+ Sđđ quay có tần số
60
pn
fq
Trên chổi than A-B, sđđ biến áp Eba và quay Eq có tính chất khác hẳn
nhau và ta thấy như sau:
+ Nếu chổi than đặt trên đường trung tính hình học: sđđ biến áp Eba = 0 còn
sđđ quay Eq ở tốc độ xác định thì:
Eq nm m (7.4)
Hình 7.2 Sđđ Eba sinh ra trong dây quấn
phấn ứng khi dịch chổi than khỏi
đường trung tính hình học một góc
Eba()
U K
201
Từ (7.4), ta thấy từ thông m đập mạch với tần số f thì sđđ quay Eq cũng đập
mạch với tần số f. Tốc độ quay n chỉ làm thay đổi chiều và trị số của sđđ quay Eq
chứ không ảnh hưởng đến tần số f.
+ Trường hợp chổi than dịch khỏi đường tthình học một góc : Sđđ tổng EA-B
có tần số f và bằng:
2222 cosEsinEE qbaBA (7.5)
Kết luận, dưới tác dụng của điện áp xoay chiều một pha, ở trên đầu chổi
than ta được sđđ tổng gồm sđđ biến áp và sđđ quay có tần số f của nguồn kích từ,
còn vị trí chổi than và tốc độ quay phần ứng chỉ làm thay đổi trị số và chiều của
sđđ chứ không ảnh hưởng đến tần số f.
7.1.2. ĐỘNG CƠ NỐI TIẾP MỘT PHA
1. Sơ lƣợc cấu tạo và nguyên lý làm việc Cấu tạo
Nói chung cấu tạo (hình 7.4a) của động cơ nối tiếp một pha không khác máy
điện một chiều kích từ nối tiếp thông thường. Chú ý là cực từ được làm bằng thép
kỹ thuạt điện để giảm tổn hao dòng xoáy và từ trễ. Trên cực từ có quấn dây quấn
kích từ K, dây quấn bù B và dây quấn cực từ phụ F để cải thiện đổi chiều như máy
điện một chiều thông thường. Sơ đồ nối dây của động cơ một pha kích từ nối tiếp
được trình bày trên hình 7.4b.
Khi đặt điện áp xoay chiều U một pha vào động cơ, từ thông của cuộn kích từ
nối tiếp tác dụng lên dòng điện I chạy trong dây quấn phần ứng tạo nên mômen
làm động cơ quay.
Hình 7.3 Sđđ quay Eq sinh ra trong dây quấn phấn ứng do từ trường đập mạch.
U K
(a)
Eq
n
m
qE
(b)
(-n)
(+n)
qE
K
U
202
2. Mômen của động cơ
Gọi: tsinIi æmæ : dòng tức thời của phần ứng;
)tsin(m : từ thông kích thích tức thời.
Trong đó: là góc lệch pha của và iư.
Giống máy điện một chiều, ta có trị số tức thời của mômen là :
)tsin(.tsinICM
iCM
mæmMt
æMt
Mômen trung bình:
2
00
2
11
)t(dMdtM
T
M t
T
ttb
cosICcosI
C
M æMmæm
M
tb
2
(7.6)
Trong đó: Iư = trị hiệu dụng của dòng điện phần ứng.
= trị hiệu dụng của từ thông kích thích.
3. Đồ thị vectơ
Giả thiết: + Động cơ quay với tốc độ n, và
+ Chổi than đặt trên đường trung tính hình học
Mt
t
0
iư
m Mtb
2
Hình 7.5 Đường cong dòng điện, từ
thông và mômen của động cơ điện
nối tiếp một pha
203
Ta có phương trình cân bằng điện áp:
RIXXIjEU Kq
)(
RIXIjEU q
(7.7)
trong đó: U = Điện áp đặt vào động cơ.
Eq = Sinh ra bởi từ thông m ngược pha với m vì lv chế độ động cơ.
I = dòng điện chạy trong dây quấn vượt trước m một góc .
XK = điện kháng toàn phần của dây quấn kích từ.
X = Tổng điện kháng của dây quấn phần ứng, dây quấn bù, dây quấn
cực từ phụ.
R, X = Tổng điện trở và điện kháng của dây quấn kích thích, phần ứng,
dây quấn bù, cực từ phụ.
4. Các đặc tính làm việc
a) Đặc tính cơ động cơ
Đặc tính cơ của động cơ là quan hệ của tốc độ với mômen n=f(M) như trình
bày trên hình 7.7
Hình 7.7 vẽ một họ đặc tính cơ với các điện áp khác nhau. Từ đồ thị cho thấy
khi điện áp bằng với điện áp định mức thì mômen mở máy rất lớn, còn điện áp
càng giảm thì đặc tính cơ càng thấp, vì vậy khi thay đổi điện áp U ta có thể điều
chỉnh tốc độ quay và mở máy một cách dễ dàng.
âmn
n
0.5
1.5
0
0.5 1 1.5 2
U=100%
90%
80%
70%
60%
50% 40%
M/Mđm Hình 7.7 Đặc tính cơ n = f(M) ở các trị số điện áp
khác nhau của động cơ nối tiếp một pha
Hình 7.6 Đồ thị vectơ của
động cơ điện kích thích
nối tiếp một pha
m
qE
-
qE
I
IjX
IXj
IjXk
IR
U
204
b) Đặc tính và cos = f(M)
Đặc tính hiệu suất và hệ số công suất của động cơ là quan hệ của hiệu suất và
hệ số công suất với mômen, và cos =f(M) như trình bày trên hình 7.8
Trên hình 7.8, trình bày một họ đặc tính các quan hệ , cos = f(M) với các điện
áp khác nhau. Từ đồ thị cho thấy khi điện áp càng giảm thì cả hiệu suất và cos
đều giảm. Để nâng cao hệ số công suất cos ta có thể giảm điện kháng bằng cách
giảm khe hở không khí hoặc dùng dây quấn bù.
5. Ứng dụng
Động cơ điện có vành góp một pha với công suất lớn dùng trong điện khí hóa
đường sắt, còn công suất nhỏ dùng rộng rãi
trong công nghiệp và dân dụng với yêu cầu
tốc độ cao như máy mài, máy khoan, máy
hút bụi, máy lau nhà, máy khâu ..
Hình 7.9 vẽ sơ đồ động cơ kích thích
nối tiếp vạn năng, nghĩa là có thể làm việc
với nguồn điện cung cấp xoay chiều hoặc
một chiều. Khi dùng điện áp một chiều, vì
không có điện áp rơi trên điện kháng nên
với cùng trị số điện áp thì tốc độ quay sẽ
lớn hơn. Để tốc độ quay không đổi người
ta lấy đầu ra cho điện áp một chiều và xoay
chiều khác nhau. Tụ điện C dùng để chống
nhiễu vô tuyến điện.
7.2. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC)
Động cơ BLDC hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than lần đầu
tiên xuất hiện năm 1962 khi T.G. Wilson và P.H. Trickey chế tạo một ra động cơ
0.5
1
0
0.5 1 1.5
, cos
U=100%
80%
70%
60%
50%
40%
M/Mđm
Hình 7.8 Đặc tính và cos = f(M) ở các trị số điện
áp khác nhau của động cơ nối tiếp một pha
cos
Hình 7.9 Sơ đồ nguyên lý của động cơ kích
thích nối tiếp vạn năng
U
C
U
K
K
C
205
điện DC đổi chiều dùng thiết bị bán dẫn. Sau đó, cùng với sự phát triển của các
thiết bị điện tử công suất cùng với các mạch điện tử, các vi xử lý đi kèm nên nó
được phát triển nhanh chóng và đưa vào ứng dụng trong nhiều nghành công
nghiệp như tự động hóa, vũ trụ, tiêu dùng, thiết bị y tế vv...
Động cơ BLDC được ứng dụng rộng rãi và thay thế các động cơ khác trong
các truyền động chính xác bởi vì nó có các ưu điểm là có đặc tính cơ tốt , đáp ứng
tải tốt, hiệu suất cao, tuổi thọ cao, không có tiếng ồn khi làm việc và dãi tốc độ vận
hành lớn.
7.2.1. Cấu tạo của động cơ BLDC
Động cơ BLDC ba pha có cấu tạo tương tự như động cơ điện đồng bộ ba pha
kích thích dùng nam châm vĩnh cửu, gồm hai bộ phận chính là stator và rotor .
Stator (hình 7.11) gồm lõi thép , dây quấn và vỏ máy . Lõi sắt có cấu tạo giống
như máy điện xoay chiều 3 pha, trong lõi thép có dập các rãnh để đặt dây cuốn
phần ứng . Dây quấn phần ứng gồm các cuộn dây đặt trong các rãnh của stator
được nối thành hình sao hoặc hình tam giác .
Hình 7.10 : Cấu tạo động cơ BLDC
206
Rotor như trên hình 7.12, thực chất là nam châm vĩnh cửu, nó từ 2 đến 8 cực được
phân bố xen kẻ. Dựa trên yêu cầu về mật độ từ thông trên rotor, vật liệu từ thích
hợp sẽ được chọn để làm rotor. Người ta thường sử dụng ferrite hoặc đất hiếm để
làm nam châm vĩnh cửu. Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, người ta
thường chế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng.
Có nhiều cách đặt và bố trí nam châm khác nhau lên trục của động cơ . Trên hình
7.12 trình bày một vài cách thông dụng thường dùng cho BLDC
(a) (b) (c)
Ta thấy các phiến nam châm có thể dán ở phía trong lõi (hình 7.12b,c) hay trên bề
mặt lõi (hình 7.12a). Các phiến nam châm cũng có thể có dạng chữ nhật (hình
7.12b) hay lưỡi liềm (hình 7.12a).
Hall Sensor khác với động cơ một chiều có chổi than , đổi chiều của động cơ
BLDC được điều khiển bởi mạch điện tử. Để quay động cơ BLDC, các cuộn dây
stator phải được cấp nguồn một cách tuần tự. Để thực hiện được việc đó, điều
quan trọng là phải biết vị trí của của rotor để xác định được thứ tự của các cuộn
dây được cấp điện. Vị trí rotor sẽ được giám sát bởi cảm biến từ hiệu ứng Hall gắn
trên stator . Hầu hết động cơ BLDC có 3 cảm biến Hall gắn trên startor ở phần
không chuyển động của động cơ.
Bất cứ khi nào cực từ của rotor quay ngang qua Hall sensor sẽ tạo ra 1 tín
hiệu ở mức cao hoặc thấp, cho biết vị trí của cực S hoặc N đang đi ngang qua
sensor. Dựa trên sự phối hợp của 3 Hall sensor này ta sẽ xác định được thời điểm
cũng như cuộn dây nào sẽ được cấp năng lượng.
7.2.2. Mô hình toán động cơ BLDC :
Hình 7.12 : Cấu tạo Rotor động cơ BLCD
207
Để mô tả toán học mô hình của động cơ BLDC ta có sơ đồ điện như trình
bày trên hình 7.13.
Ở đây phương trình động cơ BLDC tương tự như động cơ đồng bộ kích từ
dùng nam châm vĩnh cửu, từ thông hình sin:
dt
di
)ML(iReu
dt
di
)ML(iReu
dt
di
)ML(iReu
Sc
SScScSc
Sb
SSbSbSb
Sa
SSaSaSa
(7.8)
Công suất tiêu thụ của động cơ là:
Rsccsbbsaa MieieieP Ω (7.9)
Suy ra mômen điện từ của động cơ:
R
sccsbbsaa ieieieM
Ω
(7.10)
Phương trình động học của động cơ sẽ là:
)
Ω
(
1Ω1Ω
l
R
sccsbbsaas
p
R M
ieieie
jdt
d
Zdt
d
(7.11)
Các giá trị suất điện động ea; eb; ec có dạng hình thang và lệch nhau các góc
lần lượt là: 3/4;3/2;0
)3/π4θ(Ω
)3/π2θ(Ω
)θ(Ω
RRpc
RRpb
RRpa
eee
eee
eee
(7.12)
Hình 7.13 Mô hình mạch động cơ BLCD
208
Với
6
π11
θ
6
π7
1
6
π7
θ
6
π5
π
)πθ(6
6
π5
θ
6
π
1
6
π
θ
6
π
π
θ6
θ
R
R
R
R
R
R
R
khi
khi
khi
khi
e (7.13)
Phương pháp điều khiển kinh điển sẽ điều khiển động cơ trực tiếp trên mô
hình toạ độ stator. Phương pháp này dựa trên đặc điểm suất điện động hình thang
của động cơ BLDC, từ đó sẽ điều chỉnh dòng điện các pha a, b, c có dạng những
hình chữ nhật, do đó sẽ có được mômen không đổi nhờ công thức:
)(
Ω
1
sccsbbsaa
R
ieieieM (7.14)
Nhưng cũng chính việc tạo dòng điện hình chữ nhật cũng gây không ít những
hạn chế, do trong một chu kỳ có sáu lần chuyển mạch nên mômen cũng bị đập
mạch theo, điều này dẫn đến một chất lượng mômen xấu và truyền động servo
của động cơ BLDC cũng vì lẽ đó mà ít được dùng.
7.2.3. Điều khiển động cơ BLDC theo phƣơng pháp kinh điển
1. Nguyên lý làm việc của nghịch lưu
Khác với phương pháp điều chế vector như đã biết dùng để điều khiển động cơ
xoay chiều ba pha, trong bài toán điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp
kinh điển thì tại mỗi một thời điểm trong ba cuộn dây A, B, C chỉ có hai cuộn nối
với nguồn điện còn cuộn thứ ba sẽ không nối. Để phân tích việc điều khiển cũng là
nguyện lý làm việc của động cơ BLDC, ta có sơ đồ bộ nghịch lưu dòng trình bày
trên hình 7.15.
Hình 7.14 : Đồ thị dạng sóng của các sức điện động
209
Bộ điều khiển dòng trên hình 7.15, là một khâu relay có trễ giúp cho giá trị
dòng thực của động cơ bám với giá trị dòng đặt.
Ví dụ: Với pha A
- Khi giá trị dòng điện đặt lớn hơn giá trị dòng điện thực một giá trị e thì:
* A AI I thì van cung cấp giá trị dương cho dòng IA sẽ được mở ra và van âm sẽ
đóng lại, trong sơ đồ hình 1 thì đó là van T1 (qui ước giá trị dòng dương là đi ra
của bộ điều khiển và đi vào của động cơ) và van T4 cung cấp giá trị âm đồng thời
bị đóng lại. Khi đó dòng IA sẽ tăng lên nhờ có mạch nghịch lưu nối điện (+) vào
pha A
- Khi giá trị dòng đặt nhỏ hơn giá trị dòng thực một giá trị e thì:
* A AI I thì
van cung cấp giá trị âm cho dòng IA sẽ được mở ra, van dương đóng lại, tức là T1
đóng, T4 mở. Khi đó dòng IA sẽ tăng lên nhờ có mạch nghịch lưu nối điện (+) vào
pha A
Các pha B,C cũng hoàn toàn tương tự. Giá trị e là do tuỳ chọn, nếu càng
nhỏ thì càng nhanh vào xác lập nhưng các giá trị điều khiển cũng sẽ bị dao động
nhiều hơn, vì vậy cần lựa chọn cho hợp lý. Thường chọn vào cỡ 0,2 cho đến 1 A
(Ampe).
Một chú ý nữa là phương pháp này coi đối tượng BLDC giống như động cơ
một chiều nên chỉ sử dụng 2 pha trong một thời điểm để điều khiển động cơ. Vì
thế khi dòng đặt của pha nào bằng không thì pha đó sẽ bị cách ly khỏi mạch tức
là 2 van nối với pha đó đều đóng.
Ví dụ: Khi * 0AI thì các van T1,T4 đều đóng
* 0BI thì các van T3,T6 đều đóng
* 0CI thì các van T2,T5 đều đóng
Hình 7.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ BLDC
210
Việc đóng mở các van để tạo nên trình tự này phụ thuộc vào vị trí hiện tại của
rotor. Các góc 60
o
là các thời điểm quan trọng và các giá trị dòng đặt sẽ thay đổi
tác động lên khâu relay điều chỉnh các van PWM. Sau đây là trình tự dẫn của các
van transistor:
TT 1 2 3 4 5 6
T1 1 1 0 0 0 0
T2 0 1 1 0 0 0
T2 0 0 1 1 0 0
T4 0 0 0 1 1 0
T5 0 0 0 0 1 1
T6 1 0 0 0 0 1
Do đặc tính dẫn dòng điện trùng với sức điện động vì vậy khoảng dẫn của mỗi
van trong nghịch lưu là 2/3. Trình tự dẫn van là T1-T2, T2-T3, T3-T4, T4-T5,
T5-T6, T6-T1. Như vậy trong một chu kỳ dẫn van sẽ chuyển mạch 6 lần. Sau đây
là phương pháp điều chế độ rộng xung. Dạng của dòng điện và sức điện động
được minh hoạ trên hình hình 7.16
T1 T1
T4 T4
T3 T3
T6 T6
T2
T5
T2
T1 T6 T1 T2 T2 T3 T3 T4 T4 T5 T5 T6 T6 T1
t
t
t
0
0
0
Ea
Eb
Ec
2
3
2
3
6
2
Hình 7.16 Giá trị suất điện động và dòng đặt của động cơ BLDC
211
2. Điều khiển tốc độ động cơ
Giá trị dòng điện một chiều là đại lượng đầu ra của khâu điều khiển tốc độ,
khi thay đổi giá trị dòng một chiều thì đồng nghĩa với việc thay đổi tốc độ và
mômen của động cơ. Điều đó khiến ta liên tưởng đến động cơ một chiều. Giá trị
dòng một chiều được đặt cho bộ điều khiển dòng điện như đã nói ở trên để tạo ra
các dòng điện 3 pha có dạng hình chữ nhật.
Giá trị đo tốc độ có thể lấy được từ bộ phận encoder hoặc máy phát tốc.
Thường động cơ được cấp thêm cảm biến Hall để nhận biết góc quay 60o và
chuyển mạch ở khâu điều khiển dòng như đã nói ở trên.
7.3. ĐỘNG CƠ BƢỚC
Động cơ bước (stepping motor) là cơ cấu chấp hành được thiết kế quay theo
góc xác định gọi là bước góc với mỗi xung điện được cấp cho stator từ bộ điều
khiển. Động cơ bước được sản xuất theo tiêu chuẩn bước góc hoặc theo công suất.
Dải bước góc của động cơ từ 0,720 đến 900 tương ứng với 1,80, 7,50, 150, 900.
Động cơ bước được dùng trong hệ thống điều khiển vị trí dạng số theo chế độ hở.
Các lệnh vào là dạng dãy xung làm quay trục theo góc xác định. Động cơ bước có
thể điều khiển cả về vị trí và tốc độ (dải tốc độ từ 0-300 vòng/phút) mà không cần
mạch phản hồi vẫn đảm bảo độ chính xác vị trí. Với công nghệ hiện nay, công
nghiệp đã sản xuất được động cơ bước lớn nhất là 2kW.
Sử dụng động cơ bước có nhiều ưu điểm, một là tương tích với hệ thống điều
khiển trực tiếp bằng mạch số; hai là không cần bộ cảm biến vị trí và tốc độ mà
nhận trực tiếp bằng cách đếm xung vào và đếm tuần hoàn nếu cần thông tin về tốc
độ; ba là ít gây tiếng ồn và sai số tích lũy chiều dài chuyển động. Động cơ bước
điều khiển tín hiệu số được sử dụng khá rộng rãi trong máy điều khiển số NC, máy
in, robot, máy photocopy và các máy khác.
Động cơ bước có ba kiểu: động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (Permanent
Motor), động cơ bước có từ trở biến đổi VRM (Variable reluctance stepper Motor)
và động cơ bước kết hợp từ hai loại động cơ bước PM và VR gọi là động cơ bước
lai (hybrid stepper Motor). Do có sự phát triễn của hệ thống điều khiển nên kiểu
động cơ lai ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Sau đây trình bày
nguyên lý làm việc, kết cấu và hệ điều khiển cho từng loại động cơ bước.
Bước góc ứng với một xung vào phụ thuộc vào kết cấu của động cơ bước và hệ
thống điều khiển được sử dụng. Bước có bước góc 450 cho ta số bước ứng với một
vòng quay là 360
0
/45
0
= 8 bước; bước có bước góc 1,80 cho ta số bước ứng với
một vòng quay là 3600/1,80 = 200 bước; v. v Góc tổng được quay bởi rotor bằng
bước góc nhân với số bước. Công thức trong trường hợp trên là;
Bước/ vòng = 3600/ (7.15)
= bước (7.16)
Trong đó: = bước góc
= tổng góc quay của động cơ
Tốc độ của động cơ bước là hàm của bước góc và tần số bước:
212
360
β f
n
(7.17)
Trong đó: n = tốc độ (vòng/s)
f = tần số bước (xung/s)
7.3.1. Động cơ bƣớc PM
Hình 7.17 trình bày động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (Permanent Magnet
stepper motor) có hai cặp cuộn pha A và B được lắp đặt đối xứng nhau qua rotor.
Rotor làm bằng vật liệu ferit hoặc đất hiếm được từ hóa vĩnh cửu. Nguyên tắc điện
động cơ bước này giống như động cơ đồng bộ ba pha. Pha B trên stator lệch pha
với A một góc 900. Khi hích thích pha A, các cực rotor- stator thẳng hàng (hình
7.17a). Nếu pha B cũng được kích thích, các cực rotor sẽ dịch chuyển theo chiều
kim đồng hồ một góc 22,50 (hình 7.17b). Nếu khử kích thích pha A và pha B vẫn
giữ kích thích, rotor sẽ chuyển động tiếp một góc 22,50. Đảo chiều dòng điện pha
B, rotor sẽ chuyển động theo chiều ngược lại, do đó dễ dàng hình dung phương
pháp đảo chiều chuyển động rotor. Để đơn giản hóa qui trình chuyển nạch điện tử
trên stator, trên stator ta đặc hai cuộn dây cho một pha.
7.3.2. Động cơ bƣớc VR
Động cơ từ trử biến thiên (variable reluctance stepper mo