TRUYỀN ĐỘNG AC – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3 PHA Nhóm Truyền Động Điện Viện Điện - Bộ Môn Tự Động Hóa Công Nghiệp Đc: C9-104, Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1. CẤU TẠO © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 2 1. CẤU TẠO Một số kiểu rotor động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 3 1. CẤU TẠO ❖ Stator giống động cơ không đồng bộ 3 pha ❖ Rotor: nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây cấp nguồn một chiều qua chổi than. © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 4 2. PHÂN LOẠI ❖ Rotor cực lồi (salient pole) Rotor cực lồi kiểu dây quấn © DIA 2019.2 Rotor cực lồi với nam châm vĩnh cửu đặt chìm (interior PMSM) Hanoi University of Science and Technology 5 2. PHÂN LOẠI ❖ Rotor tròn (nonsalient pole or cylindrical rotor) Rotor kiểu dây quấn © DIA 2019.2 Rotor nam châm vĩnh cửu phân bố trên bề mặt (surface PM) Hanoi University of Science and Technology 6 3. SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG 3.1. Rotor tròn. ❖ Do phần kích từ là độc lập (cuộn kích từ hoặc NCVC) nên chúng ta chỉ cần tìm sơ đồ tương đương 1 pha phía stator ❖ Do cuộn dây stator của SM giống IM nên: ❖ Từ thông trong động cơ SM có hai thành phần: • Do dòng stator sinh ra: • Do phía rotor sinh ra: ❖ Từ thông móc vòng: ❖ Tương ứng với 2 thành phần từ thông móc vòng là 2 thành phần sức điện động cảm ứng trên cuộn dây stator: © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 7 3. SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG 3.1. Rotor tròn. ❖ Do thành phần sức điện động Ear chậm pha hơn từ thông góc 900 nên có thể thay thế bằng điện cảm Xar trên sơ đồ tương đương: © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 8 3. SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG 3.1. Rotor tròn. ❖ Phương trình cân bằng điện áp và đồ thị vector 𝑉𝑠 = 𝑅𝑠 𝐼𝑠 + 𝑗𝐼𝑠 𝑋𝑎𝑟 + 𝑋𝑎𝑙 + 𝐸𝑓 → 𝑉𝑠 = 𝑅𝑠 𝐼𝑠 + 𝑗𝐼𝑠 𝑋𝑠 + 𝐸𝑓 Trên đồ thị vector: • 𝜃: góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện • 𝛿: góc tải © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 9 3. SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG 3.1. Rotor tròn. ❖ Mô men điện từ • Công suất đầu vào: 𝑃 = 3𝑉𝑠 𝐼𝑠 cos 𝜃 • Từ đồ thị vector ta có: 𝑉𝑠 𝛿 • Khi bỏ qua điện trở RS : 𝐼𝑠 𝑋𝑠 cos 𝜃 = 𝐸𝑓 sin 𝛿 • Thay vào phương trình công suất đầu vào: 𝜃 𝜃 𝑗𝐼𝑠 𝑋𝑠 𝐸𝑓 𝐼𝑠 • Khi bỏ qua điện trở stator, tức là đã bỏ qua tổn thất stator, công suất cơ có thể coi là công suất đầu vào, khi đó mô men điện từ: © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 10 3. SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG 3.1. Rotor tròn. © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 11 3. SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG 3.2. Rotor cực lồi (Salient Pole Rotor) ❖ Đặc điểm: từ thông dọc trục và ngang trục khác nhau 𝐼𝑞 = 𝐼𝑠 cos 𝜑, 𝐼𝑑 = 𝐼𝑠 sin 𝜑 © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 12 3. SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG 3.2. Rotor cực lồi (Salient Pole Rotor) • Công suất đầu vào: • Nếu bỏ qua điện trở stator • Thay vào phương trình công suất: 𝑃 = 3𝐼𝑞 𝑉𝑠 cos 𝛿 − 3𝐼𝑑 𝑉𝑠 sin 𝛿 → 𝑃 = 3𝑉𝑠 cos 𝛿 →𝑃=𝟑 © DIA 2019.2 𝑽 𝒔 𝑬𝒇 𝑿𝒅 𝑉𝑠 sin 𝛿 𝑋𝑞 𝐬𝐢𝐧 𝜹 − 3𝑉𝑠 sin 𝛿 𝑽𝟐𝒔 𝑿𝒅 −𝑿𝒒 +𝟑 𝟐𝑿𝒅 𝑿𝒒 𝑉𝑠 cos 𝛿−𝐸𝑓 𝑋𝑑 𝐬𝐢𝐧 𝟐𝜹 Hanoi University of Science and Technology 13 3. SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG 3.2. Rotor cực lồi (Salient Pole Rotor) • Bỏ qua tổn thất phía stator, phương trình mô men điện từ: 𝑽𝒔 𝑬𝒇 𝑽𝟐𝒔 𝑿𝒅 − 𝑿𝒒 𝑃 𝑇= =𝟑 𝐬𝐢𝐧 𝜹 + 𝟑 𝐬𝐢𝐧 𝟐𝜹 𝜔𝑠 𝜔𝑠 𝑿𝒅 𝟐𝜔𝑠 𝑿𝒅 𝑿𝒒 𝐸𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑚𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑖𝑐 𝑡𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑇𝑓 𝑅𝑒𝑙𝑢𝑐𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑡𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑇𝑟 • So với động cơ rotor tròn, động cơ rotor cực lồi sinh mô men lớn hơn. © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 14 4. KHỞI ĐỘNG ❖ Động cơ đồng bộ không tự khởi động được khi nối lưới trực tiếp do từ trường stator quay quá nhanh so với quán tính cơ của rotor. ❖ Thường dùng cuộn dây phụ để khởi động giống động cơ IM © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 15 5. MÔ HÌNH HÓA 5.1. Trên hệ tọa độ abc • Hệ phương trình cân bằng điện áp stator Trong đó, • Các thành phần từ thông móc vòng: © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 16 5. MÔ HÌNH HÓA 5.1. Trên hệ tọa độ abc • Xét thành phần tự cảm: Do khe hở không khí có thể bị thay đổi theo vị trí rotor, nên thành phần tự cảm không phải là hằng số như đối với động cơ đồng bộ: © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 17 5. MÔ HÌNH HÓA 5.1. Trên hệ tọa độ abc • Xét thành phần hỗ cảm stator: cũng thay đổi theo vị trí rotor © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 18 5. MÔ HÌNH HÓA 5.1. Trên hệ tọa độ abc • Xét thành phần hỗ cảm từ rotor sang stator: © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 19 5. MÔ HÌNH HÓA 5.1. Trên hệ tọa độ abc • Hệ phương trình mô tả từ thông móc vòng của động cơ đồng bộ: © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 20 5. MÔ HÌNH HÓA 5.2. Mô tả động cơ trên hệ tọa độ quay đồng bộ rotor: 𝑟 𝜆𝑟𝑞𝑠 = 𝐿𝑞𝑠 𝑖𝑞𝑠 © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 21 6. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SM 6.1. Động cơ đồng bộ rotor tròn © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 22 6. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SM 6.2. Động cơ đồng bộ rotor cực chìm ❖ Vấn đề chính: có nhiều tổ hợp dòng điện 𝑖𝑑𝑠 , 𝑖𝑞𝑠 cùng tạo ra một giá trị mô men điện từ → bài toán MTPA (maximum torque per ampere) © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 23 6. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SM 6.2. Động cơ đồng bộ rotor cực chìm ❖ Với lượng đặt dòng điện 𝐼𝑠∗ được tính toán từ mạch vòng tốc độ, và 𝑖𝑑𝑠 = 𝐼𝑠∗ cos 𝛽 , 𝑖𝑞𝑠 = 𝐼𝑠∗ sin 𝛽 , phương trình mô men điện từ được viết lại như sau: Giải phương trình © DIA 2019.2 𝑑𝑇𝑒 𝑑𝑡 để tìm cực trị 𝛽𝑚𝑎𝑥 Hanoi University of Science and Technology 24 6. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SM 6.2. Động cơ đồng bộ rotor cực chìm • Giá trị dòng điện thỏa mãn điều kiện MTPA là: © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 25 7. ĐỘNG CƠ BLDC • Vấn đề với động cơ điện một chiều có chổi than • So sánh DC motor © DIA 2019.2 BLDC motor Hanoi University of Science and Technology 26 7. ĐỘNG CƠ BLDC © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 27 7. ĐỘNG CƠ BLDC © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 28 7. ĐỘNG CƠ BLDC © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 29 7. ĐỘNG CƠ BLDC • Điểm khác biệt so với động cơ xoay chiều động bộ là động cơ BLDC có tích hợp thêm thiết bị đo để xác định vị trí rotor, • Các loại cảm biến vị trí phổ biến là máy phát đồng bộ xoay chiều, encorder hoặc cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall (Hall effect). Điện áp: 𝑅𝐻 𝐼𝐻 𝐵 𝑉 𝑑 𝑅𝐻 : Hall constant 𝑑: width of element 𝑉𝐻 = © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 30 7. ĐỘNG CƠ BLDC © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 31 7. ĐỘNG CƠ BLDC © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 32 7. ĐỘNG CƠ BLDC • So sánh với đồng cơ xoay chiều đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (PMSM) BLDC - - © DIA 2019.2 PMSM Cùng là động cơ đồng bộ Dòng điện nguồn cấp là 1 - Dòng điện xoay chiều chiều hình sin Sức phản điện động hình - Sức phản điện động hình thang sin Từ thông stator chuyển - Từ thông stator thay đổi mạch góc 60° liên tục Chỉ có 2 pha dẫn dòng tại - Cả 3 pha có thể cùng dẫn một thời điểm tại một thời điểm - Không có nhấp nhô Nhấp nhô momen khi momen chuyển mạch Hanoi University of Science and Technology 33 7. ĐỘNG CƠ BLDC ❖ Đặc tính cơ • Bỏ qua tổn thất của động cơ, ta có công suất cấp và momen biểu diễn như sau • 𝑃 = 𝑒𝑎 𝑖𝑎 + 𝑒𝑏 𝑖𝑏 + 𝑒𝑐 𝑖𝑐 = 𝑇𝜔 • Hay 𝑇 = 2𝐼𝑑 𝐸 𝜔 = 𝑃 𝜔𝑟 • Với 𝜔 • 𝜔 = 𝑟 , 𝑝 là số đôi cực, 𝑝 • 𝐸 là sức phản điện động pha và 𝐸 = 𝐾𝑒 𝜔𝑟 • 𝐼𝑑 là dòng điện dây • Phương trình cân bằng điện áp 𝑉𝑑 = 2𝑅𝑠 𝐼𝑑 + 2𝐸 © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 34 7. ĐỘNG CƠ BLDC • Ta suy ra phương trình đặc tính cơ truyền động động cơ BLDC: 𝑉𝑑 2𝑅𝑠 𝐼𝑑 𝑉𝑑 𝑇 𝜔𝑟 = − = − 2𝑅𝑠 𝐾𝑒 2𝐾𝑒 𝐾𝑒 𝐾𝑒 𝐾𝑚 • Với 𝐾𝑚 = • Đặt 𝜔0 = một chiều © DIA 2019.2 𝑇 là hệ số momen 𝐼𝑑 𝑉𝑑 𝑇 , Δ𝜔 = 2𝑅𝑠 , 𝐾 𝐾𝑒 𝐾𝑚 ta có đặc tính cơ tương tự động cơ điện Hanoi University of Science and Technology 35 7. ĐỘNG CƠ BLDC • Mô hình động cơ BLDC gần tương tự động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) 𝑣𝑎𝑛 𝑅𝑠 • 𝑣𝑏𝑛 = 0 𝑣𝑐𝑛 0 0 𝑅𝑠 0 0 0 𝑅𝑠 𝑖𝑎 𝐿 𝑖𝑏 + 𝑆 𝑀 𝑖𝑐 𝑀 𝑀 𝐿 𝑀 𝑒𝑎 𝑀 𝑖𝑎 𝑀 𝑖𝑏 + 𝑒𝑏 𝑒𝑐 𝐿 𝑖𝑐 • Với L là tự cảm cuộn dây, M là hỗ cảm giữa các pha, 𝑒𝑎 là sức điện động pha, 𝑣𝑎𝑛 là điện áp pha, S là toán tử Laplace. • Giả sử 3 pha cân bằng thì 𝑖𝑎 + 𝑖𝑏 + 𝑖𝑐 = 0, nên • 𝑀𝑖𝑏 + 𝑀𝑖𝑐 = 𝑀𝑖𝑎 © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 36 7. ĐỘNG CƠ BLDC • Đặt 𝐿𝑠 = 𝐿 − 𝑀 là tự cảm tương đương mỗi pha, ta có hệ phương trình trạng thái: 𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑡 𝑑𝑖𝑏 • 𝐿𝑠 𝑑𝑡 𝑑𝑖𝑐 𝑑𝑡 1 = 0 0 𝑅𝑠 0 0 𝑣𝑎𝑛 1 0 𝑣𝑏𝑛 − 0 0 0 1 𝑣𝑐𝑛 0 𝑅𝑠 0 0 0 𝑅𝑠 𝑒𝑎 𝑖𝑎 𝑖𝑏 − 𝑒𝑏 𝑒𝑐 𝑖𝑐 • Phương trình momen và phương trình động lực học: 𝑒𝑎 𝑖𝑎 + 𝑒𝑏 𝑖𝑏 + 𝑒𝑐 𝑖𝑐 𝑇=𝑝 𝜔𝑟 𝐽 𝑑𝜔𝑟 ⋅ = 𝑇 − 𝑇𝐿 𝑝 𝑑𝑡 © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 37 7. ĐỘNG CƠ BLDC • Nguyên lý điều khiển • Cấp dòng cho 2 trong 3 pha tại mỗi thời điểm để sinh ra momen liên tục • Mỗi van dẫn trong khoảng 120° • Cảm biến vị trí được sử dụng để xác định 2 pha nào cần được cấp dòng • Cứ mỗi 60° lại đổi 1 trong cuộn dây pha dẫn dòng • Để đảo chiều, ta đảo thứ tự cấp dòng cho mỗi cuộn dây © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 38 7. ĐỘNG CƠ BLDC © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 39 7. ĐỘNG CƠ BLDC • Sơ đồ điều khiển cơ bản • Sử dụng bộ PI, tín hiệu điều khiển: • 𝑉 ∗ = 𝐾𝑃 + © DIA 2019.2 𝐾𝐼 𝑠 ∗ −𝜔 ⋅ 𝜔𝑚 𝑚 Hanoi University of Science and Technology 40 7. ĐỘNG CƠ BLDC • Sơ đồ 2 vòng điều khiển • Sử dụng bộ PI cho vòng điều khiển tốc độ: 𝐾𝑖𝑠 ∗ ∗ −𝜔 𝐼𝑑𝑐 = 𝐾𝑝𝑠 + ⋅ 𝜔𝑚 𝑚 𝑠 • Bộ điều khiển dòng điện: 𝐾𝑖𝑠 ∗ ∗ 𝑉 = 𝐾𝑝𝑠 + ⋅ 𝐼𝑑𝑐 − 𝐼𝑑𝑐 𝑠 © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 41 7. ĐỘNG CƠ BLDC • Tương tự động cơ DC • Điều chế lưỡng cực: xung PWM được cấp cho cả 4 van • Điều chế đơn cực: chỉ cấp xung PWM cho các van của 1 pha trong khi 1 trong 2 van của pha còn lại đóng (dẫn) Điều chế lưỡng cực - bipolar Điều chế đơn cực - unipolar © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 42 7. ĐỘNG CƠ BLDC • Điều chế lưỡng cực: © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 43 7. ĐỘNG CƠ BLDC • Các phương pháp điều chế đơn cực: • (A) upper switch PWM, • (B) lower switch PWM, • (C) on-going PWM, • (D) off-going PWM. © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 44 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.1. Giới thiệu chung • Là một loại động cơ DC không chổi than • Có thể quay từng góc rất nhỏ • Ứng dụng nhiều trong các hệ điều khiển vị trí giá thành thấp, đặc biệt là yêu cầu mô men lớn ở tốc độ thấp. © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 45 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.2. Cấu tạo • Stator gồm các cuộn dây • Rotor là nam châm vĩnh cửu với rất nhiều cặp cực © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 46 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.3. Nguyên lý hoạt động © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 47 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.3. Nguyên lý hoạt động © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 48 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.4. Phân loại Động cơ bước đơn cực Động cơ bước lưỡng cực • Rotor đều là NCVC với nhiều cặp cực • Cuộn dây stator có cách đấu dây khác nhau © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 49 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.4. Phân loại • Động cơ biến từ trở (Variable Reluctance) © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 50 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.4. Phân loại • Động cơ bước lai (Hybrid stepper) © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 51 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.4. Phân loại • Động cơ bước lai (Hybrid stepper) © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 52 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.5. Điều khiển động cơ bước • Điều khiển đủ bước (Full Step) © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 53 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.5. Điều khiển động cơ bước • Điều khiển nửa bước (Half Step) © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 54 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.5. Điều khiển động cơ bước • Điều khiển vi bước (Half Step) © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 55 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.5. Đặc tính cơ Pull – In Toruqe: Mô men cần thiết để động cơ chuyển từ trạng thái dừng sang quay với tốc độ xác định. Pull – Out Torque: Mô men cần thiết để kéo tải ở tốc độ xác định Holding Torque: Mô men cần thiết để quay rotor khi cuộn dây stator được cấp điện Detent Torque: Mô men cần thiết để quay rotor khi stator không có điện © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 56 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.5. Đặc tính cơ © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 57 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.6. Sơ đồ mạch lực • Động cơ đơn cực © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 58 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.6. Sơ đồ mạch lực • Động cơ lưỡng cực © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 59 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.7. Vi mạch điều khiển chuyên dụng • DRV8825 của Texas Instrument © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 60 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.7. Vi mạch điều khiển chuyên dụng • DRV8825 của Texas Instrument © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 61 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.7. Vi mạch điều khiển chuyên dụng © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 62 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.7. Vi mạch điều khiển chuyên dụng TB6600 STEPPER DRIVER © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 63 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) 7.7. Vi mạch điều khiển chuyên dụng TB6600 STEPPER DRIVER © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 64 7. ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR) DC • Các loại động cơ DC: kích từ NCVC, kích từ độc lập, kích từ nối tiếp, hỗn hợp • Đặc tính cơ của từng loại động cơ • Mô hình hóa, cấu trúc hệ điều khiển. • Các trạng thái làm việc: Động cơ, hãm động năng, hãm ngược, tái sinh, tình huống thực tế xảy ra các trạng thái làm việc này • Ảnh hưởng các tham số lên đặc tính cơ • Bài tập: Xây dựng đặc tính cơ, kiểm tra khả năng làm việc của động cơ, tính chọn công suất động cơ …. AC: IM: Đặc tính cơ, ảnh hưởng tham số, các trạng thái làm việc, các biện pháp khởi động, phân tích cấu trúc hệ điều khiển. • Động cơ bước: Nguyên lý, phân loại, sơ đồ điều khiển. © DIA 2019.2 Hanoi University of Science and Technology 65 THE END 66