Giáo trình Cơ sở lý thuyết máy điện

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

GIÁO TRÌNH

MÔN HỌC/MÔ ĐUN: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG/ TRUNG CẤP

Ban hành kèm theo Quyết định số:

/QĐ-… ngày…….tháng….năm ......... của

Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Công nghệ Hà Tĩnh

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

1

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

LỜI GIỚI THIỆU

Để phục vụ cho việc giảng dạy theo chương trình khung của nghề điện công

nghiệp, quyển giáo trình này sẽ cung cấp những kiến thức cơ bản về quấn dây máy điện.

Sau một thời gian khảo sát và nghiên cứu tài liệu cũng như trong thực tiễn về

lĩnh vực điện công nghiệp chúng tôi viết giáo trình này nhằm phục vụ cho công tác dạy

nghề. Để hoàn thành được quyển giáo trình này là sự giúp sức không nhỏ của trường

cao đẳng công nghệ Hà Tĩnh và tập thể đội ngũ giáo viên trong Khoa Điện. Giáo trình

này được biên soạn để giảng dạy cho người học ở trình độ cao đẳng nghề hoặc làm tài

liệu tham khảo cho các khoá đào tạo ngắn hạn cho các công nhân kỹ thuật chuyên ngành

điện.

Mặc dù nhóm tác giả đã có nhiều cố gắng, song thiếu sót là khó tránh. Rất mong

nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn đọc để giáo trình được hoàn

thiện hơn!

Hà Tĩnh, ngày tháng năm 2020

1.

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

2

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

MỤC LỤC

CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC .............................................................................6

BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN .....................................9

CHƯƠNG 1: MÁY BIẾN ÁP.............................................................................20

1. Khái niệm chung .............................................................................................20

2. Cấu tạo máy biến áp........................................................................................20

2.1. Lõi thép.........................................................................................................20

2.2. Dây quấn.......................................................................................................22

2.3. Vỏ máy .........................................................................................................22

3. Các đại lượng định mức ..................................................................................24

3.1. Điện áp định mức .........................................................................................24

3.2. Dòng điện định mức.....................................................................................25

3.3. Công suất đinh mức......................................................................................25

4. Nguyên lý làm việc của máy biến áp ..............................................................25

CHƯƠNG 2: MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ................................................30

1. Khái niệm chung về máy điện không đồng bộ................................................30

1.1 Khái niệm ......................................................................................................30

1.2 Phân loại........................................................................................................30

1.3 Các đại lượng định mức ................................................................................30

1.4 Công dụng của máy điện không đồng bộ......................................................30

2. Cấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha..................................................31

2.1 Stator (phần tĩnh)...........................................................................................31

2.2. Rotor (phần quay).........................................................................................31

2.3 Khe hở ...........................................................................................................32

3. Từ trường của máy điện không đồng bộ .........................................................32

3.1. Từ trường đập mạch của dây quấn một pha.................................................32

3.2. Từ trường quay của dây quấn ba pha ...........................................................33

3.3. Từ trường quay của dây quấn hai pha..........................................................37

4. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện không đồng bộ...............................37

4.1. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ .................................37

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

3

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

5. Biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ................38

CHƯƠNG 3: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU............................................................43

1. Đại cương về máy điện một chiều..................................................................43

2. Cấu tạo của máy điện một chiều. ...................................................................43

3. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện một chiều......................................45

3.1 Máy phát điện................................................................................................45

3.2 Động cơ điện .................................................................................................46

4. Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều. ...................................47

5. Tổn hao trong máy điện một chiều................................................................48

CHƯƠNG 4: ĐỘNG CƠ VẠN NĂNG ..............................................................52

1.Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của động cơ vạn năn g ...................................52

CHƯƠNG 5:ĐỘNG CƠ SERVO .......................................................................54

1. Hệ thống servo là gì?.......................................................................................54

2..servomotor.......................................................................................................60

3. Servo Amplifiers .............................................................................................69

CHƯƠNG 6:ĐỘNG CƠ BƯỚ C .........................................................................72

1/ Khái niệ m ........................................................................................................72

2. Cấu tạo động cơ bước ......................................................................................72

3. Đặc điểm của động cơ bướ c ............................................................................73

4.Phương pháp điều khiển động c ơ .....................................................................78

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

4

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC

Tên môn học: Cơ sở lý thuyết máy điện

Mã môn học: MH12

Thời gian thực hiện môn học: 30 giờ; (Lý thuyết: 28 giờ; kiểm tra: 2 giờ)

I. Vị trí, tính chất của môn học:

- Vị trí: Môn học cơ sở lý thuyết máy điện được bố trí học sau môn học cơ sở lý thuyết

mạch điện và trước các mô đun chuyên môn nghề.

- Tính chất: Là môn học cơ sở.

II. Mục tiêu môn học:

- Về kiến thức:

Trình bày được các khái niệm về máy điện, các định luật điện từ, cấu tạo, nguyên

lý làm việc, các đại lượng định mức, phân loại và ứng dụng của máy biến áp, máy điện

không đồng bộ, máy điện một chiều, động cơ vạn năng, động cơ servo và động cơ bước.

- Về kỹ năng:

Giải thích được nguyên lý làm việc của từ trường trong máy điện không đồng bộ, động

cơ một chiều và động cơ vạn năng.

- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Làm việc độc lập hoặc làm việc theo nhóm, giải quyết công việc, vấn đề phức tạp

trong điều kiện làm việc thay đổi;

+ Hướng dẫn, giám sát những người khác thực hiện nhiệm vụ xác định; chịu trách

nhiệm cá nhân trách nhiệm đối với nhóm;

+ Đánh giá chất lượng công việc sau khi hoàn thành và kết quả thực hiện của các

thành viên trong nhóm.

III. Nội dung môn học:

1.

Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian:

Thời gian (giờ)

Số

TT

Thực hành, thí

Lý thuyết nghiệm, thảo

luận, bài tập

Tên chương, mục

Tổng

số

Kiểm

tra

1

Bài mở đầu: Khái niệm chung về 5

5

máy điện

1. Các định luật điện từ dùng trong

máy điện.

1.1. Lực từ.

1.2. Hiện tượng cảm ứng điện từ.

1.3. Tự cảm và hổ cảm.

2. Định nghĩa và phân loại máy điện.

2.1 Định nghĩa.

2.2 Phân loại máy điện.

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

5

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

2.1. Khái niệm về máy điện xoay

chiều.

2

Chương I: Máy biến áp

1. Khái niệm chung.

5

2. Cấu tạo của máy biến áp.

3. Các đại lượng định mức của máy

biến áp.

4. Nguyên lý làm việc của máy biến

áp.

5. Phân loại và ứng dụng

3

Chương II: Máy điện không đồng 5

bộ

4

1

1. Khái niệm chung về máy điện

không đồng bộ.

2. Cấu tạo của máy điện không đồng

bộ ba pha.

3. Từ trường của máy điện không

đồng bộ.

4. Nguyên lý làm việc cơ bản của

máy điện không đồng bộ.

5. Phân loại và ứng dụng

1

4

Chương III: Máy điện một chiều

1. Đại cương về máy điện một chiều

5

2. Cấu tạo của máy điện một chiều

3. Nguyên lý làm việc cơ bản của

máy điện một chiều.

4. Từ trường và sức điện động của

máy điện một chiều.

5. Ứng dụng của động cơ một chiều

5

Chương IV: Động cơ điện vạn 5

năng

5

1. Cấu tạo động cơ điện vạn năng

2. Nguyên lý làm việc của động cơ

điện vạn năng

3. Nguyên lý từ trường trong động

cơ điện vạn năng.

4. Ứng dụng của động cơ điện vạn

năng

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

6

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

6

Chương 5: Động cơ servo

1 Cấu tạo và nguyên lý làm

việc.

2

2. Điều khiển động cơ servo.

3 Ứng dụng của động cơ servo.

Chương 6: Động cơ bước

1. Cấu tạo và nguyên lý làm

việc.

7

3

1

2

2. Điều khiển động cơ bước.

3. Ứng dụng của động cơ bước.

Tổng

30

28

BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN

Mục tiêu:

- Phát biểu được các định luật điện từ trong máy điện;

- Phân tích được nguyên lý hoạt động của máy phát và động cơ điện;

- Giải thích được quá trình phát nóng và làm mát của máy;

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

7

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

- Phát huy tính tích cực, chủ động, cẩn thận trong công việc;

1. Định nghĩa và phân loại máy điện

1.1. Định nghĩa

Máy điện là thiết bị điện từ, nguyên lý làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện

từ về cấu tạo gồm mạch từ ( lõi thép ) và mạch điện ( các dây cuốn), dùng để biến đổi

dạng năng lượng như cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lại biến đổi

điện năng thành cơ năng ( động cơ điện ), hoặc dùng để biến đổi thông số điện năng như

biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, số pha v.v…

Máy điện là máy thường gặp nhiều trong công nghiệp, giao thông vận tải, sản xuất

và đời sống.

1.2. Phân loại.

Máy điện có nhiều loại, và có nhiều cách phân loại khác nhau, ví dụ phân lọai theo

công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo dòng điện (xoay chiều, một chiều), theo

nguyên lý làm việc v.v… Trong giáo trình này ta phân loại dựa vào nguyên lý biến đổi

năng luợng như sau:

1.2.1. Máy điện tĩnh

Máy điện tĩnh làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ

thông giữa các cuộn dây không có chuyển động tương đối với nhau.

Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng. Do tính chất thuận nghịch

của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến đổi có tính thuận nghịch, ví dụ máy

biến áp biến đổi hệ thống điện có thông số U1, f thành hệ thống điện có thông số U2, f

hoặc ngược lại biến đổi

Máy gồm một khung dây abcd hai đầu nối với hai phiến góp, khung dây và phiến

góp được quay quanh trục của nó với một vận tốc không đổi trong từ trường của hai cực

nam châm. Các chổi than A và B đặt cố định và luôn luôn tì sát vào phiến góp.

Hình 4-6 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện

Khi cho khung quay theo định luật cảm ứng điền từ trong thanh dẫn sẽ cảm ứng

nên sức điện động theo định luật Faraday ta có:

e = B.l.v (V) (4-1)

B: Từ cảm nơi thanh dẫn quét qua; T

L: Chiều dài của thanh dẫn nằm trong từ trường; m

V: Tốc độ dài của thanh dẫn; m/s

Chiều của sức điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải như vậy theo hình

vẽ sức điện động của thanh dẫn cd nằm dưới cực S có chiều đi từ d đến c, còn thanh ab

nằm dưới cực N có chiều đi từ b đến a. Nếu mạch ngoài khép kín qua tải thì sức điện

động trong khung dây sẽ sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện chạy từ A đến B. Nếu từ

cảm B phân bố hình sin thì e biến đổi hình sin dạng sóng sức điện động cảm ứng trong

khung dây như hình 5.3a. Nhưng do chổi than với thanh dẫn nằm dưới cực S nên dòng

điện mạch ngoài chỉ chạy theo chiều từ A đến B. Nói cách khác sức điện động xoay

chiều cảm ứng trong thanh dẫn và dòng điện tương ứng đã được chỉnh lưu thành sức

điện động và dòng điện một chiều nhờ hệ thống vành góp và chổi than, dạng sóng sức

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

8

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

điện động một chiều ở hai chổi than như hình 5.3b. Đó là nguyên lý làm việc của máy

phát điện một chiều.

3.2 Động cơ điện

Từ cảm hay sức điện động hình sin

a) Quy tắc bàn tay

Trong khung dây trước chỉnh lưu

phải

a) S.đ.đ và dòng điện đã được chỉnh

b) Quy tắc bàn tay

lưu

trái

Hình 4-7 Các dạng sóng sức điện động

Hình 4-8 Quy tắc bàn tay

trái và phải

Nếu ta cho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và ra ở B thì do dòng điện chỉ

đi vào thanh dẫn dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn nằm dưới cực S, nên dưới tác dụng

của từ trường sẽ sinh ra một mô men có chiều không đổi làm cho quay máy. Chiều của

lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Đó là nguyên lý làm việc của động

cơ điện một chiều.

4. Từ trường và sức điện động của máy điện một chiều.

Sức điện động cảm ứng trong dây quấn phần ứng. Cho một dòng điện kích thích

vào dây quấn kích thích thì trong khe hở sinh ra một từ thông Φ_δ. Khi phần ứng quay

với một tốc độ nhất định nào đó thì trong dây quấn sẽ cảm ứng một suất điện động. Sức

điện động đó là sức điện động của mạch nhánh song song và bằng tổng sức điện động

cảm ứng của các thanh dẫn nối tiếp trong một mạch nhánh đó.

Sức điện động cảm ứng của một thanh dẫn: e_x= B_δx.l_δ.v (4-2)

Trong đó:

B_δx: Từ cảm nơi thanh dẫn x quét qua

l_δ: Chiều dài tác dụng của thanh dẫn

v: Tốc độ dài của thanh dẫn

Hình 17-05-9 Xác định s.đ.đ phần ứng

N

Nếu thanh dẫn của một mạch nhánh là

thì:

2a

N / 2a

E_ư= e₁+ e₂+…+ e_N/2a

=

e  (B  ...)l v 

B l v

l 



x

l



x1

N / 2a

Nếu số thanh dẫn đủ lớn thì

B

bằng trị số trung bình B_tbnhân với tổng số



x

x1

thanh dẫn trong mạch nhánh:

N / 2a

N

B



B_tbnên E_ư=

B_tbl_δ.v =

E_tb





x

2a

x1

D

60

D

2p 60

n

2p..n

60

v 

n  2p



Với v là tốc độ dài của phần ứng.

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

9

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

Φ_δ: từ thông dưới mỗi cực từ trong khe hở không khí: Φ_δ= B_δ.l_δ.τ.

N

2p..n pN

Từ đó:

E_ư=

B_tbl_δ.

=

_.n

2a

60

60a

Trong đó: p: Số dư cực từ kích thích

N: Tổng số thanh dẫn của phần ứng

n: Tốc độ quay của phần ứng (vòng/phút)

a: Số đôi mạch nhánh song song

pN

Đặt C_E=

: Hệ số kết cấu của máy điện.

60a

Ta có: E_ư= C_E.Φ_δ.n

(4-3)

5. Tổn hao trong máy điện một chiều.

a) Tổn hao cơ p_cơ

Bao gồm tổn hao ở ổ bi, ma sát giữa chổi than và vành góp, của không khí với

cánh quạt,… Tổn hao này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay của máy, thông thường

p_cơ= 2-4%P_đm(4-4)

b) Tổn hao sắt p_Fe

Do trễ từ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây nên. Được xác định bằng công thức:

f





^



P = k .P(1/50).

.B².G_c; Watt/kg (4-5)



Fe

δ

50



k_δ: hệ số kinh nghiệm xét đến sự tặng thêm tổn hao thép do gia công, lắp ghép lõi

thép, từ thông phân bố không đều,… thường chọn k_δ= 3,6

p(1/50): suất tổn hao của thép khi B = 1T, f = 50Hz

f: tần số dòng điện; B: từ cảm tính toán (1T = 10⁴Gauss)

G_C: trọng lượng của sắt tính bằng kg.

β: số mũ thép hợp kim thấp β = 1,5; với thép hợp kim cao thì β = 1,2-1,3.

Hai loại tổn hao trên khi không tải đã tồn tại nên gọi là tổn hao không tải

P₀= P_cơ+ P_Fe

Nó sinh ra mô men không tải mang tính chất hãm

M₀= P₀/ω

c) Tổn hao đồng p_Cu

- Tổn hao đồng trong mạch phần ứng P_{Cu ư}bao gồm tổn hao đồng trong dây quán phần

ứng I².r_ưcực từ phụ I².r_f, tổn hao tiếp xúc giữa chổi than và vành góp P_tx

ư

P_tx= 2ΔU_tx.I_ư

P_{Cu ư}= I².R_ư

ư

R_ư= r_ư+ r_f+ r_tx

r_ư: điện trở phần ứng

r_f: điện trở của dây quấn cực từ phụ

r_tx: điện trở tiếp xúc của chổi than với vành góp

- Tổn hao đồng trong mạch kích từ P_{Cu t}

P_{Cu t}= U_t.I_t

U_t: điện áp đặt trên mạch kích thích

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

10

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

I_t: dòng điện kích thích

d) Tổn hao phụ p_f:

Sinh ra trong thép cũng như ở trong đồng của máy điện. Tổn hao phụ trong thép

do từ trường phân bố không đều trên bề mặt phần ứng, ảnh hưởng của răng và rãnh làm

xuất hiện từ trường đập mạch dọc trục.

Tổn hao phụ trong đồng: dòng điện phân bố không đều trên chổi than, khi đổi chiều, từ

trường phân bố không đều trong rãnh làm cho trong dây quấn sinh ra dòng điện xoáy,

tổn hao trong dây nối cân bằng,… thường trong máy điện một chiều lấy:

P_f=1%P_đmnếu máy không có dây quấn bù. P_f= 0,5%P_đmnếu máy có dây quấn bù

Tổng tổn hao trong máy là:

Σp = p_cơ+ p_Fe+ p_{Cu ư}+p_{Cu t}+ p_f(4-6)

Nếu gọi p₁là công suất đưa vào máy

P₂là công suất đưa ra của máy thì

P₁= p₂+ Σp

Hiệu suất của máy được tính theo phần trăm %

p 

p

%  ²100 

p₁

p₂

p 



_{.100  (1}

1

.100 

)100

p

p₁



2

Câu hỏi

1. Hãy định nghĩa máy phát điện một chiều?

…………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………….

2. Nêu cấu tạo của máy phát điện một chiều?

…………………………………………………………………………………………

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

11

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

…………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………..

3. Trình bày nguyên lý làm việc của máy phát điện và động cơ điện một chiều?

…………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………….

4. Nêu các đại lượng định mức của máy điện một chiều và ý nghĩa của chúng?

…………………………………………………………………………………………

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

12

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

…………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………..........

Câu 4. Sđđ trong máy điện phụ thuộc vào những yếu tố gì?

…………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………..........

CHƯƠNG 4: ĐỘNG CƠ VẠN NĂNG

Mục tiêu:

- Phân tích được cấu tạo và nguyên lý của động cơ vạn năng;

- Trình bày được đặc điểm từ trường của động cơ điện vạn năng;

- Rèn luyện tính cẩn thận, tư duy khoa học và sáng tạo.

1.Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của động cơ vạn năng

Động cơ vạn năng -Universal motor hoặc Serie motor hay còn được gọi là động

cơ cổ góp điện. Loại động cơ này có 2 phần

+ Stato: hay còn gọi là phần cảm thực chất là một nam châm điện, thông thường

là hai từ cực lồi, có quấn các cuộn dây để tạo từ trường.

+ Roto: Còn gọi là phần ứng, gồm nhiều lá sắt ghép lại thành khối trụ, có rảnh ở

xung quanh và được quấn dây theo một trật tự nhất định.

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

13

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

Các đầu cuộn dây này được nối ra cổ góp điện tạo thành một mạch kín.Cổ góp

điện được cấu tạo bởi nhiều phiến đồng ghép lại và được cách điện độc lập với nhau.

Nhiệm vụ của cổ góp điện là dẫn điện vào phần ứng và đồng thời kết hợp với chổi than

để đổi chiều dòng điện giữ cho chiều quay của roto không đổi chiều.

Nguyên lý làm việc

Hình 5-2a trình bày động cơ đơn giản có phần cảm mắc nối tiếp với phần ứng.

Khi cho dòng điện vào động cơ, do tác dụng của từ trường phần cảm lên dòng điện một

lực điện từ làm cho roto quay, khi roto quay được 1 góc 180° thì lúc đó phiến góp cũng

di chuyển theo H5-2b nên dòng điện di chuyển trong thanh dẫn ở mỗi từ cực vẫn giữ

nguyên chiều cũ. Vì thế roto vẫn tiếp tục quay tròn do lực điện từ tác dụng không đổi

chiều.

Nếu cho dòng điện xoay chiều vào động cơ thì dòng điện đổi chiều ở bán kỳ âm,

ngay lúc đó chiều từ trường trong phần cảm cũng đổi chiều nên lực tác dụng vẫn không

đổi chiều. Vì thế động cơ vẫn quay được liên tục theo 1 chiều nhất định. Do đặc tính của

động cơ như thế nên được gọi là động cơ vạn năng, vì nó sử dụng được với 2 loại dòng

điện: dòng điện một chiều và dòng điện 2 chiều.

Đặc tính và công dụng

Động cơ vạn năng vận hành với tốc độ cao đạt đến 10.000 vòng /phút và có momen

quay lớn so với các động cơ khác. Vì thế không nên để động cơ vạn năng vận hành

không tải,vì có thể làm bung các đầu dây nối vào cổ góp điện. Khi vận hành có tải tốc

độ quay của động cơ trong khoảng 2500 vòng/phút đến 6000 vòng/phút

Công dụng của động cơ vạn năng đó là được sử dụng để làm động cơ máy may,

máy khoan điện cầm tay, máy xay trái cây, máy xay thịt...

Việc điều chỉnh tốc độ của động cơ dựa trên nguyên tắc giảm điện áp đưa vào động

cơ bằng cuộn cảm kháng, thường quấn chung với cuộn dây từ cực.

Câu hỏi ?

Câu 1: Em hãy trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ vạn năng ?

…………………………………………………………………………………………

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

14

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

…………………………………………………………………………………………

Câu 2: Em hãy trình bày đặc tính và công dụng của động cơ vạn năng ?

…………………………………………………………………………………………

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

15

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

CHƯƠNG 5:ĐỘNG CƠ SERVO

Mục tiêu:

- Trình bày được cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ servo;

- Trình bày được phương pháp điều khiển động cơ servo;

- Rèn luyện tính cẩn thận, tư duy khoa học và sáng tạo.

1. Tổng quan hệ thống servo

Nó là một hệ thống để kiểm soát dụng cụ cơ khí phù hợp với biến đổi vị trí hoặc

tốc độ mục tiêu giá trị.

Cơ cấu định vị:

Hệ thống servo không đơn giản chỉ là một phương pháp thay thế điều khiển vị

trí và tốc độ của các cơ cấu cơ học, ngoài những thiết bị cơ khí đơn giản, hệ thống

servo bây giờ đã trở thành một hệ thống điều khiển chính trong phương pháp điều

khiển vị trí và tốc độ. Sau đây là một số ví dụ về các cơ cấu định vị:

Cơ cấu định vị đơn giản :

Các vị dụ về cơ cấu này đó là xy lanh hay trục cam hay bộ ly hợp và phanh hãm

Ưu điểm của cơ cấu này đó là đơn giản, rẻ tiền, và có thể hoạt động ở tốc độ cao.

Cơ cấu định vị linh hoạt điều khiển bởi servo motor

Cơ cấu này có thể được điều khiển vòng hở, nửa kín hay vòng kín

Ưu điểm của cơ cấu này đó là độ chính xác và đáp ứng tốc độ cao, có thể dễ dàng

thay đổi vị trí đich và tốc độ của cơ cấu chấp hành.

Cơ cấu chuyển động định hướng

Cơ cấu này chuyển động theo hướng nhất định được chỉ định từ bộ điều khiển. Chuyển

động có thể là chuyển động tịnh tiến hay quay.

Ưu điểm là cơ cấu chấp hành đơn giản và nâng cao tuổi thọ hộp số truyền động

(do truyền động khá êm).

Backlash và hiệu chỉnh:

Backlash hiểu nôm na đó là giới hạn chuyển động của một hệ thống servo.Tất cả

các thiết bị cơ khí đều có một điểm trung tính giữa chuyển động hoặc quay theo chiều

dương và âm (cũng giống như động cơ trước khi đảo chiều thì vận tốc phải giảm về 0).

Xét một chuyển động tịnh tiến lui và tới như trong hình sau:

Chuyển động tính tiến này được điều khiển bởi một động cơ servo. Chuyển động

tới và lui được giới hạn bởi một khoản trống như trong hình. Như vậy động cơ sẽ quay

theo chiều dương hoặc chiều âm theo một số vòng nhất định để chuyển động của thanh

quét lên toàn bộ khoản trống đó nhưng không được vượt quá khoản trống (đây là một

trong những điều kiện cốt lõi của việc điều khiển động cơ servo). Giới hạn này được

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

16

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

gọi là backlash. Tuy nhiên trong thực tế độ động cơ quay những vòng chính xác để con

trượt trựơt chính xác và quét lên toàn bộ khoản trống trên là rất khó thực hiện nếu

không có một sự bù trừ cho nó. Và trong hệ thống servo nhất thiết có những hàm lệnh

thực hiện việc bù trừ, hiệu chỉnh này. Như trong hình vẽ trên, hệ thống servo gởi xung

lệnh hiệu chỉnh cộng/trừ số lượng xung lệnh điều khiển và các xung lệnh hiệu chỉnh

này sẽ không được tính đến trong bộ đếm xung.

Hệ thống điều khiển

Có ba dạng :

Điều khiển vòng hở:

Nghĩa là bộ điều khiển vị trí chỉ đặt lệnh cho động cơ quay mà thôi.

Điều khiển nửa kín:

Ở đây số vòng quay của step motor được mã hóa và hồi tiếp về bộ điều khiển vị

trí. Nghĩa là đến đây thì động cơ step chỉ quay một số vòng nhất định tùy thuộc vào “

lệnh” của bộ điều khiển vị trí, nói cách khác bộ điều khiển vị trí có thể ra lệnh cho chạy

hoặc dừng động cơ theo một lập trình sẵn có tùy thuộc vào ý đồ của người thiết kế.

Điều khiển vòng kín

Vòng hồi tiếp lúc này không phải hồi tiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi tiếp lúc

này là hồi tiếp vị trí của bàn chạy thong qua một thướt tuyến tính. Lúc này bộ điều khiển

vị trí không điều khiển số vòng quay của motor nữa mà nó điều khiển trực tiếp vị trí của

bàn chạy. Nghĩa là các sai số tĩnh do sai khác trong các bánh răng hay hệ thống truyền

động được loại bỏ.

Cấu hình của hệ thống servo:

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

17

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

Động cơ servo

Sự khác biệt của động cơ servo so với những động cơ sử dụng cảm ứng từ nói

chung là nó có một máy dò để phát hiện tốc độ quay và vị trí.

Bộ điều khiển (Tính hiệu đầu vào)

Điều khiển tốc độ đông cơ servo quay với một tốc độ tương ứng với tính hiệu điện

áp đầu vào. VÌ vậy nó giám sát tốc độ quay của đông cơ trong mọi thời điểm.

Sơ đồ khối điều khiển động cơ servo với 2 vòng hồi tiếp vị trí và tốc độ:

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

18

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

Trong đó phần A B C là phần so sánh xử lý tín hiệu hồi tiếp và hiệu chỉnh lệnh. Phần D

E là cơ cấu thực thi và hồi tiếp. Các phần A B C thì khá phổ dụng trong các sơ đồ khối

điều khiển, phần D E thì tùy các thiết bị sử dụng mà chúng có khác nhau đôi chút nhưng

về bản chất chúng hoàn toàn giống nhau. Sau đây là một số ví dụ về phần D E thường

gặp.

Encoder series

Mã

số

1

Thông số kỹ thuật

SGMAH SGMPH

SGMGH SGMUH SGB

MH

16-bit mã hóa tuyệt Tiêu

đối chuẩn

Tiêu

chuẩn

-

1

17-bit mã hóa tuyệt -

đối

Tiêu

chuẩn

-

Tiêu

chuẩn

-

Tiêu

chuẩn

-

A

B

C

13-bit mã hóa gia Tiêu

tăng

Tiêu

chuẩn

16-bit mã hóa gia Tùy chọn Tùy chọn

tăng

-

17-bit mã hóa gia -

-

Tiêu

tăng

chuẩn

Sự khác biệt so với motor thường:

Về kết cấu và hoạt đông của động cơ servo về cơ bản giống động cơ thường.

Nhưng nó được thiết kế để đáp ứng độ chính xác cao, tốc độ cao, tần số cao kiểm soát

tốc độ và vị trí của các phương tiên cơ khí.

Không phải bất kì động cơ nào cũng có thể dùng làm động cơ servo. Động cơ

servo là động cơ hoạt động dựa theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ. Chính vì thế

nó phải được thiết kế sao cho các đáp ứng là phù hợp với nhu cầu điều khiển. Về cơ

bản thì một servo motor và một động cơ bình thường giống nhau về mặc cấu tạo và

nguyên lý hoạt động ( cũng có phần cảm phần ứng, khe hở từ thông, cách đấu dây … ).

Tuy nhiên tuỳ theo nhu cầu điều khiển mà nó có một số điểm cải tiến hơn (dành cho

những mục đích đặc biệt) so với động cơ thường. Sau đây là một vài ví dụ về nét đặt

trưng của động cơ servo:

a. Tăng tốc độ đáp ứng tốc độ:

Các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần có

một khoảng thời gian quá độ. Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải

tăng/giảm tốc nhanh chóng để đạt được một tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn

nhất, hoặt đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất. Ví dụ muốn điều khiển một cơ

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

19

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

KHOA ĐIỆN

cấu từ vị trí X đến vị trí X’, ban đầu khi ở xa vị trí X’ thì động cơ quay với vận tốc lớn

để tăng tốc, tuy nhiên khi đến gần X’ đòi hỏi động cơ cần giảm tốc tức thì để có thể

đạt được vị trí mong muốn một cách chính xác và loại trừ sự vọt lố vị trí. Các động cơ

thường không thể đáp ứng được điều này. Để động cơ đáp ứng được những yêu cầu

trên thì nó phải được thiết kế sao cho rút ngắn đáp ứng tốc độ của động cơ.

Muốn như vậy ta cần giảm moment quán tính và tăng dòng giới hạn cho động cơ.

Để giảm moment quán tính thì động cơ servo được giảm đường kính rotor và loại bỏ

các cơ cấu sắt không cần thiết. Để tăng dòng giới hạn, động cơ servo có thể sử dụng

sắt Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng lõi sắt cho phù hợp. Đối với động cơ

nam châm vĩnh cữu thì nó cần được thiết kế sao cho ngăn cản được sự khử từ (hình

dạng mạch từ) và tăng khả năng từ tính của nam châm (sử dụng nam châm đất hiếm

rare earth magnet).

b. Tăng khả năng đáp ứng

Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/giảm tốc cần phải “mềm” nghĩa là gia tốc

là một hằng số hay gần như là một hằng số.

Một số động cơ như thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi đáp ứng

tốc độ của cơ cấu phải “mềm”, tức là quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách

tuyến tính. Để làm được điều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ

nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu.

Các động cơ servo thuộc loại này thường được thiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong

mạch và có khả năng thu hẹp các vòng từ trong mạch từ khe hở không khí.

c. Mở rộng vùng điều khiển(control range):

Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độ lớn

hơn định mức rất nhiều. Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó phải

bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quá lớn so với điện áp

định mức.

Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế đặt biệt nhằm gia tăng điện áp chịu

GIÁO TRÌNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN

20