đồ án thiết kế mạch điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.51 MB, 106 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
------
BÁO CÁO ĐỒ ÁN I
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ MÔ HÌNH KHÍ ĐỘNG HỌC ĐƠN GIẢN
Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 3
Họ và tên:
MSSV
1. Nguyễn Văn Tiến
20133955
2. Trần Văn Tuấn
20134342
3. Nguyễn Đình Bắc
20130312
Giáo viên hướng dẫn: TS. CUNG THÀNH LONG
HÀ NỘI, 5/2015
Lời mở đầu
Ngày nay, các thiết bị điện tử trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọng
trong đời sống con người. Ví dụ quanh ta có rất nhiều sản phẩm như lò vi sóng, nồi
cơm điện, điều hòa cho đến ô tô, máy bay, tàu thủy, các đầu đo, cơ cấu chấp hành
thông minh, robot v.v… Ta có thể thấy hiện nay thiết bị điện tử có mặt ở mọi nơi
trong cuộc sống của chúng ta.
Qua những môn học đã được học tại trường giúp em hiểu hơn về những thiết
bị điện tử mà em đã được tiếp xúc nhưng không biết cấu tạo và làm thế nào để tạo
ra chúng, nhưng thông qua việc bắt tay vào làm Đồ án 1, tìm hiểu và thực hiện đề
tài “ Thiết kế mô hình khí động học đơn giản” , đã giúp em hiểu kĩ hơn những gì
mình đã được học thông qua đó nâng cao hiểu biết của bản thân.
Bản báo cáo bao gồm năm phần:
•
Nêu ý tưởng và hướng giải quyết vấn đề
•
Lựa chọn linh kiện
•
Viết chương trình và thiết kế mạch mô phỏng mạch
•
Thiết kế mạch thực và mô hình hầm gió
•
Hoàn thiện sản phẩm
trình bày chi tiết quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Cung Thành Long đã tận tình hướng dẫn và
giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này.
Do thời gian thực hiện và kiến thức còn hạn chế nên còn nhiều sai sót trong
quá trình thực hiện đề tài, rất mong được sự bổ sung đóng góp của thầy cô và các
bạn.
Trân trọng và chân thành cám ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Đình Bắc
Nguyễn Văn Tiến
Trần Văn Tuấn
MỤC LỤC
2
3
Phần một: Nêu ý tưởng
Xuất phát từ nhiệm vụ thư :” Thiết kế mô hình khí động học đơn giản. Cụ
thể là mô hình một buồng thông gió để kiểm tra tốc độ gió tác động lên đối tượng
là máy bay. Từ đó đưa ra tín hiệu cảnh báo mức độ nguy hiểm.” nhóm em đã xây
dựng ý thiết kế một hệ thống hoạt động ở chế độ điều khiển bằng tay thông qua các
phím bấm tăng hoặc giảm. Sử dụng một động cơ điện một chiều để làm quạt gió
thổi trực tiếp vào trong buồng gió. Khi hệ thống được cấp nguồn, động cơ sẽ quay.
Đầu tiên tốc độ quay là thấp nhất sau đó tốc độ sẽ tăng dần lên bằng cách bấm nút
tăng làm tốc độ gió thổi vào trong hầm gió cũng tăng lên tương ứng. Ở đây ta chia
làm 5 cấp. Từ cấp 1 đến cấp 4 ta sử dụng 4 đèn led để mỗi lần tăng lên 1 cấp thì có
thêm 1 đèn led sáng đồng thời hiển thị lên màn hình LCD mức hiện tại. Khi tăng
lên cấp thứ 5 là cấp gió mà cánh máy bay cũng như các kết cấu cơ khí không chịu
được áp lực cơ khí có thể bị bẻ cong, vặn xoắn thì sẽ được báo bằng một đèn led
có màu sắc khác bốn đèn led còn lại kèm theo tín hiệu còi vang lên để người điều
khiển biết giảm tốc độ động cơ thông qua đó xác định được giới hạn tốc độ có thể
gây nguy hiểm để đưa ra phương án thiết kế hợp lí.
Sơ đồ khối:
Cách hoạt động của hệ thống:
Tín hiệu điều khiển được đưa ra từ khối điều khiển thông qua phím ấn tăng,
giảm. Tín hiệu này được đưa đến khối chấp hành là một động cơ điện một chiều.
Động cơ này sẽ quay và sau đó tín hiệu sẽ được gửi tới khối xử lý sử dụng 89s52.
4
Tín hiệu qua khối xử lý được đưa tới khối hiển thị và báo hiệu. 5 đèn led được nối
với cổng p0 của vi xử lý để thể hiện cấp độ gió, một màn hình LCD nối với cổng
p3 để hiển thị tốc độ gió hiện tại. Khi tốc độ quay tăng lên đến mức nguy hiểm vi
xử lý sẽ gửi tín hiệu làm đèn led nháy còi báo động vang lên yêu cầu giảm tốc độ
của động cơ. Toàn bộ hệ thống được cấp nguồn từ khối nguồn một chiều 5v.
5
Phần hai: Lựa chọn linh kiện
1. Khối nguồn
Khối nguồn có chức năng biến đổi điện áp để cung cấp nguồn điện ổn định cho
toàn bộ hệ thống. Có nhiều phương án lựa chọn khối nguồn cấp điện cho hệ thống
như dùng nguồn một chiều từ pin, acquy, mạch nguồn chỉnh lưu…
-
Sử dụng pin hoặc acquy có ưu điểm là đơn giản nhưng không linh hoạt.
-
Sử dụng mạch nguồn chỉnh lưu tuy phức tạp trong việc thiết kế phần cứng
nhưng nhỏ gọn, dễ dàng lựa chọn điện áp ra theo yêu cầu thiết kế.
=> Vì vậy nhóm em lựa chọn mạch ngồn chỉnh lưu.
Mô hình mạch chỉnh nguồn chỉnh lưu:
Chức năng các khối :
-
Máy biến áp: dùng để biến đổi điện áp xoay chiều U 1 thành điện áp xoay
chiều U2 có cùng tần số và giá trị thích hợp với yêu cầu.
-
Mạch chỉnh lưu: dùng để biến đổi điện áp xoay chiều U 2 thành điện áp một
chiều U= không bằng phẳng ( đập mạch).
-
Bộ lọc: có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch thành điện áp một
chiều U 01 ít nhấp nhô hơn.
-
Bộ ổn áp (ổn dòng) một chiều : có nhiệm vụ ổn định điện áp ( dòng điện) ở
đầu ra U 02 ( I t ) không đổi.
-
Máy biến áp 2 cuộn dây có tác dụng hạ áp từ nguồn 220V xuống còn 12V
để đưa vào mạch chỉnh lưu.
-
Mạch chỉnh lưu sử dụng là mạch chỉnh lưu cầu đơn giản và phổ biến.
6
-
Đối với mạch ổn áp có thể sử dụng ổn áp loại bù tuy nhiên sẽ gặp khó khăn
trong việc thiết kế nên nhóm em chọn sử dụng bộ ổn áp dùng IC tuyến tính
vì đơn giản giá rẻ phổ biến trên thị trường. Theo yêu cầu thiết kế điện áp đầu
ra là 5V nên nhóm chọn IC 7805.
Sơ lược về LM 7805:
Hình 1.1 IC 7805
-
Dòng cực đại có thể duy trì 1A.
Dòng đỉnh 2.2A.
Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W
Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W
Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:
Pd = (Ui - Uo) x I
Trong đó:
Ui - áp lối vào
Uo - áp lối ra
I - dòng sử dụng
Nếu đặt Ui quá cao làm công suất tiêu tán trên IC lớn ---> giảm hiệu suất
Với 7805 thì cần có lối vào ít nhất là 7V.
- Công suất tiêu tán max 2W
- Dòng max 1A
7
- Chênh lệch áp vào ra tối thiểu (Ui - Uo) = Pd / I = 2 V
Sơ đồ bộ ổn áp dùng IC 7805:
Hình 1.2 Các nối chân IC 7805
tụ lọc C 1 = 470, tụ C 2 = 220 .
Sơ đồ mạch nguồn:
Hình 1.3: Sơ đồ mạch nguồn dùng IC 7805
8
2. Khối điều khiển
Khối điều khiển ( phần cứng) bao gồm hệ thống nút nhấn để điều chỉnh tốc
độ quay của động cơ, qua đó điều chỉnh tốc độ gió theo mong muốn.
Nút nhấn bao gồm: nút on/off, nút tăng(up), nút giảm (down) và nút reset
Trên thị trường có rất nhiều loại nút nhấn, đa dạng mẫu mã, ở đây ta sử dụng loại
nút nhấn 2 chân vì mục đích sử dụng chỉ ấn nhả, chi phí thấp mà hoạt động ổn định
Đề cử loại nút nhấn 2 chân 3x6x2.5mm SMD có giá trên thị trường là 1000đ/c
Hình ảnh cho loại nút nhấn 2 chân
Hình 2.1 Nút nhấn 2 chân
9
3. Khối chấp hành
Sử dụng một động cơ điện để tạo nguồn gió thổi vào trong đường hầm. Trên
thị trường có rất nhiều loại động cơ điện. Có thể lựa chọn loại động cơ phù hợp
trước tiên cần tìm hiểu về động cơ điện.
3.1 Giới thiệu
3.1.1. Động cơ điện được sử dụng ở đâu
Động cơ điện là thiết bị điện cơ học giúp chuyển điện năng thành cơ năng.
Cơ năng này được sử dụng để, chẳng hạn, quay bánh công tác của bơm, quạt hoặc
quạt đẩy, chạy máy nén, nâng vật liệu,vv… Các động cơ điện được sử dụng trong
dân dụng (máy xay, khoan, quạt gió) và trong công nghiệp. Đôi khi động cơ điện
được gọi là “sức ngựa” của ngành công nghiệp vì ước tính, động cơ sử dụng
khoảng 70% của toàn bộ tải điện trong ngành công nghiệp.
3.1.2. Động cơ điện hoạt động như thế nào
Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển
động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu. Phần lớn
các động cơ điện họat động theo nguyên lý điện từ, nhưng loại động cơ dựa trên
nguyên lý khác như lực tĩnh điện và hiệu ứng điện áp cũng được sử dụng. Cơ chế
hoạt động chung ở tất cả các động cơ đều giống nhau:
•
•
•
•
Dòng điện trong từ trường chịu tác dụng của một từ lực.
Nếu dây dẫn được khép mạch, hai nhánh đối xứng của mạch sẽ chịu các lực
tác dụng ngược chiều nhau (ngẫu lực) theo phương vuông góc với véc tơ
đường sức từ.
Ngẫu lực này tạo ra mô men làm quay cuộn dây.
Các động cơ trên thực tế có một số mạch vòng trên phần ứng để tạo ra các
mô men đồng đều và tạo ra từ trường nhờ sự sắp xếp hợp lý các nam châm
điện, được gọi là các cuộn cảm.
Để hiểu rõ về động cơ, cần hiểu được tải động cơ là gì. Tải liên quan đến mô
men đầu ra của động cơ ứng với tốc độ yêu cầu. Tải thường được phân thành ba
nhóm:
10
•
•
•
Tải mô men không đổi là tải yêu cầu công suất đầu ra có thể thay đổi cùng
với tốc độ hoạt động nhưng momen quay không đổi. Băng tải, lò quay và các
bơm pittông là những ví dụ điển hình của tải mô men không đổi.
Tải mô men thay đổi là những tải mà mô men thay đổi khi tốc độ hoạt động
thay đổi. Bơm ly tâm và quạt là những ví dụ điển hình của tải mô men thay
đổi (mô men tỷ lệ bậc hai với tốc độ).
Tải công suất không đổi là những tải mà các yêu cầu mô men thường thay
đổi ngược với tốc độ. Những máy công cụ là ví dụ điển hình về tải công suất
không đổi.
3.2. Các loại động cơ điện
Các loai động cơ được phân loại dựa trên nguồn cung năng lượng, cấu trúc
động cơ và cơ chế vận hành.
Hình 3.1: Các loại động cơ điện chính
3.2.1 Động cơ một chiều
Động cơ một chiều, như tên gọi cho thấy, sử dụng dòng điện một chiều .
Động cơ một chiều được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô men
khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng.
Động cơ một chiều, gồm ba thành phần chính sau:
11
•
•
•
Cực từ. Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một chiều.
Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên các ổ đỡ)
quay trong không gian giữa các cực từ. Một động cơ một chiều đơn giản có
hai cực từ: cực bắc và cực nam. Các đường sức từ chạy theo khoảng mở từ
cực bắc tới cực nam. Với những động cơ phức tạp và lớn hơn, có một hoặc
vài nam châm điện. Những nam châm này được cấp điện từ bên ngoài và
đóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường.
Phần ứng. Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm
điện. Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải. Với
động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho
đến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc
quay của phần ứng. Khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện đảo chiều để xoay
chiều các cực bắc và nam của phần ứng.
Cổ góp. Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều. Cổ góp có tác dụng
đảo chiều của dòng điện trong phần ứng. Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện
giữa phần ứng và nguồn điện.
Hình 3.2: Động cơ điện một chiều
Ưu điểm của động cơ một chiều là khả năng điều khiển tốc độ mà không làm ảnh
hưởng tới chất lượng điện cung cấp. Có thể điều khiển động cơ loại này bằng cách
điều chỉnh:
•
•
Điện áp phần ứng – tăng điện áp phần ứng sẽ làm tăng tốc độ
Dòng kích thích – Giảm dòng kích thích sẽ làm tăng tốc độ
Động cơ một chiều có nhiều loại khác nhau, nhưng những động cơ loại này
thường được sử dụng giới hạn ở những thiết bị tốc độ chậm, công suất thấp đến
trung bình như các máy công cụ và máy cán. Ở công suất lớn, động cơ một chiều
12
có thể gặp trục trặc với các cổ góp cơ. Các động cơ này cũng bị hạn chế chỉ sử
dụng ở những khu vực sạch, không độc hại vì nguy cơ đánh lửa ở các chổi than. So
với động cơ xoay chiều, động cơ một chiều cũng khá đắt. Mối liên quan giữa tốc
độ, từ thông và điện áp phần ứng được minh hoạ bằng phương trình sau:
Sức điện động cảm ứng: E = KΦN
Mô men : KΦIa
Với:
E = Sức điện động cảm ứng (vôn)
Φ = từ thông, tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện
N = tốc độ quay, vòng/phút
M = mô men điện từ
Ia = dòng điện phần ứng
K = hằng số
Phân loại động cơ điện một chiều
a. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Nếu dòng kích từ được cấp từ một nguồn riêng, thì đó là động cơ một chiều kích từ
độc lập.
13
Hình 3.3: Sơ đồ điện động cơ điện kích từ độc lập
Tốc độ động cơ trên thực tế là không đổi, không phụ thuộc vào tải (tới một mô men
nhất định, sau đó tốc độ giảm), nhờ vậy loại đông cơ này thích hợp với các ứng
dụng với mô men khởi động thấp, như ở các máy công cụ.
Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
U = Eư + IưRư và Iư = I
b. Động cơ điện một chiều kích từ song song.
Ở động cơ kích từ song song, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối song
song với cuộn dây phần ứng. Vì vậy, dòng điện toàn phần của đường dây là tổng
của dòng kích từ và dòng điện phần ứng.
Hình 3.4: Sơ đồ điện động cơ điện kích từ song song
Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ song song:
U = Eư + IưRư và Iư = I – Ikt//
c. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
14
Ở động cơ nối tiếp, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối nối tiếp với cuộn
dây phản ứng. Nhờ vậy, dòng kích từ sẽ bằng với dòng phần ứng. Dưới đây là một
số đặc điểm tốc độ của động cơ nối tiếp
•
•
Tốc độ giới hạn ở 5000 vòng/phút
Cần tránh vận hành động cơ nối tiếp ở chế độ không tải vì động cơ sẽ tăng
tốc không thể kiểm soát được.
Động cơ nối tiếp phù hợp với những ứng dụng cần mô men khởi động lớn, như cần
cẩu và tời
Hình 3.5: Sơ đồ điện động cơ điện kích từ nối tiếp.
Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp:
U = Eư + IưRư + Iktnt .Rktnt và Iư = I = Iktnt
d. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.
Động cơ kích từ hỗn hợp một chiều là kết hợp của động cơ nối tiếp và động
cơ kích từ song song. Ở động cơ kích từ hỗn hợp, cuộn kích từ (trường kích từ)
được nối song song và nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Nhờ vậy, động cơ loại này
có mô men khởi động tốt và tốc độ ổn định. Tỷ lệ phần trăm đấu hỗn hợp (tức là tỷ
lệ phần trăm của cuộn kích từ được đấu nối tiếp) càng cao thì mô men khởi động
của động cơ càng cao
15
Hình 3.6: Sơ đồ điện động cơ điện kích từ hỗn hợp.
Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp:
U = Eư + IưRư + Iktnt .Rktnt và Iư = I – Ikt// = Iktnt – Ikt//
3.2.2 Động cơ xoay chiều
Động cơ xoay chiều (AC) sử dụng dòng điện đổi chiều theo chu kỳ. Một
động cơ xoay chiều có hai phần điện cơ bản: một “stato” và một “rôto”. Stato là bộ
phận đứng yên và rôto là bộ phận quay, làm quay trục của động cơ.
Ưu điểm chính của động cơ một chiều so với động cơ xoay chiều là dễ điều
khiển tốc độ hơn động cơ xoay chiều. Bù lại, động cơ xoay chiều có thể được lắp
thêm bộ điều khiển biến đổi tần số, tuy nhiên dù thiết bị này giúp cải thiện việc
điều khiển tốc độ nhưng chất lượng điện lại giảm. Động cơ cảm ứng (còn gọi là
động cơ không đồng bộ hoặc dị bộ) là động cơ phổ biến nhất trong công nghiệp vì
sự chắc chắn và ít yêu cầu về bảo trì hơn. Động cơ cảm ứng xoay chiều rẻ tiền (chỉ
bằng một nửa hoặc non nửa giá của động cơ một chiều cùng công suất) và có hệ số
tỷ lệ công suất: trọng lượng cao (gấp đôi tỷ lệ công suất: trọng lượng của động cơ
một chiều).
a. Động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ là động cơ xoay chiều, hoạt động ở tốc độ không đổi xác
định bởi tần số của hệ thống. Động cơ loại này cần có dòng điện một chiều (DC) để
16
kích thích và có mô men khởi động thấp, vì vậy động cơ đồng bộ thích hợp với các
thiết bị ứng dụng khởi động ở mức tải thấp như máy nén khí, tần số thay đổi hay
máy phát điện. Động cơ đồng bộ có thể cải hiện hệ số công suất hệ thống, đây là lý
do tại sao chúng thường hay được sử dụng với những hệ thống dùng nhiều điện.
Các thành phần chính của động cơ đồng bộ bao gồm :
•
•
Rôto. Sự khác nhau chủ yếu giữa động cơ đồng bộ và không đồng bộ là rôto
của động cơ đồng bộ quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay. Được
như vậy là vì từ trường của rôto không còn tính cảm. Rôto có thể được lắp
các nam châm vĩnh cửu hoặc các dòng kích từ một chiều bị giới hạn ở một vị
trí nhất định khi xung đối với từ trường khác.
Stato. Stato tạo ra từ trường quay tỷ lệ với tần số cung cấp
Hình 3.7: Động cơ đồng bộ
Động cơ quay ở tốc độ đồng bộ, cho trong phương trình sau : Ns =
Trong đó:
f = tần số của tần số cung cấp
P = số cực từ
b. Động cơ cảm ứng (không đồng bộ)
Động cơ không đồng bộ là động cơ rất thông dụng, được sử dụng cho các
thiết bị khác nhau trong công nghiệp. Sở dĩ loại động cơ này thông dụng như vậy là
vì chúng có thiết kế đơn giản, rẻ tiền và dễ bảo trì, có thể nối trực tiếp với nguồn
xoay chiều.
b.1 Các bộ phận
Một động cơ không đồng bộ có hai bộ phận điện cơ bản
•
Rôto. Động cơ không đồng bộ sử dụng hai loại rôto:
17
•
- Rôto lồng sóc bao gồm những thanh dẫn dày đặt tại các rãnh song song.
Đầu các thanh này được nối vào vòng đoản mạch.
- Một rôto quấn dây có ba pha, hai lớp, cuộn dây quấn. Rôto được quấn
nhiều cực như là stato. Ba pha được nối dây bên trong và các đầu dây này
được nối vào vành trượt treo trên một trục có các chổi than.
Stato. Stato được ghép từ các vòng dập định hình với các rãnh để chứa các
cuộn dây ba pha. Chúng được quấn cho một số cực nhất định. Bố trí trong
không gian của những cuộn dây này lệch nhau 1200 .
Hình 3.8: Động cơ cảm ứng
b.2 Phân loại động cơ không đồng bộ
Có thể phân động cơ không đồng bộ thành hai nhóm chính
•
•
Động cơ không đồng bộ một pha. Chỉ có một cuộn dây stato, hoạt động
bằng nguồn điện một pha, có một rôto lồng sóc và cần một thiết bị để khởi
động động cơ. Hiện nay, đây là loại động cơ phổ biến nhất sử dụng trong các
thiết bị tại gia đình như quạt, máy giặt, máy sấy quần áo và có công suất
trong khoảng 3 - 4 mã lực.
Động cơ không đồng bộ ba pha. Từ trường quay do nguồn cung ba pha cân
bằng sinh ra. Những động cơ loại này có năng lực công suất cao hơn, có thể
có rôto lồng sóc hoặc rôto dây quấn (khoảng 90% là có rôto lồng sóc), và tự
khởi động. Ước tính khoảng 70% động cơ trong công nghiệp thuộc loại này,
chúng được sử dụng trong máy bơm, máy nén, băng tải, lưới điện công suất
cao và máy mài. Chúng thích hợp trong dải từ 1/3 tới hàng trăm mã lực.
18
b.3 Tốc độ của động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ hoạt động như sau. Điện được cấp vào stato sinh ra
từ trường quay. Từ trường chuyển động với tốc độ đồng bộ quanh rôto, tạo ra dòng
điện trong rôto. Dòng điện trong rôto tạo ra từ trường thứ hai, có xu hướng chống
lại từ trường stato và làm rôto quay.
Tuy nhiên, trên thực tế, động cơ không bao giờ chạy với tốc độ đồng bộ mà
thường chạy ở mức thấp hơn “tốc độ cơ bản”. Sự chênh lệch giữa hai tốc độ này là
“độ trượt”, độ trượt sẽ tăng khi tải tăng. Độ trượt chỉ xảy ra ở động cơ không đồng
bộ. Để tránh hiện tượng này, có thể lắp vành trượt, những động cơ loại này gọi là
“động cơ có vành trượt”. Phần trăm độ trượt được tính bằng phương trình sau
% Độ trượt = . 100
Trong đó:
Ns = tốc độ đồng bộ (tốc độ quay của từ trường) vòng/phút
Nb = tốc độ cơ của trục máy vòng/phút
b.4 Mối liên quan giữa tải, tốc độ và mô men quay
Hình minh hoạ đường cong tốc độ của mô men điển hình ở động cơ không
đồng bộ xoay chiều ba pha với đòng điện cố định. Khi động cơ :
•
•
•
Khởi động: có một dòng khởi động cao và mô men thấp (“mô men kéo”).
Đạt đến 80% tốc độ toàn phần, mô men đạt mức độ cao nhất (“mô men đẩy”)
và dòng điện bắt đầu giảm.
Ở tốc độ toàn phần, hoặc tốc độ đồng bộ, mô men và dòng của stato giảm về
0.
19
Hình 3.9: Đường cong tốc độ - mô men quay của động cơ cảm ứng xoay chiều
3 pha
3.3 Phương pháp điều khiển
Có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ điện như thay đổi đấu sao sang
tam giác, điều khiển bằng thay đổi điện áp, thay đổi số đôi cực từ, và dùng biến tần
thay đổi tần số dẫn đến thay đổi tốc độ động cơ.
Với các loại khác nhau chúng ta có các phương pháp thay đổi tốc độ khác nhau:
•
•
•
•
Động cơ không đồng bộ ba pha dây cuốn : Thay đổi sao – tam giác, thay đổi
điện trở đặt vào roto.
Động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc : Thay đổi sao – tam giác, dùng
biến tần.
Động cơ một chiều: Thay đổi điện áp, thay đổi bằng mạch băm xung.
Động cơ xoay chiều một pha: Dùng biến tần, thay đổi điện áp…
3.4 Đánh giá động cơ điện
3.4.1 Hiệu suất của động cơ điện
Động cơ chuyển đổi điện năng thành cơ năng để phục vụ tải nhất định. Trong
quy trình này, năng lượng mất đi được minh hoạ trong hình .
20
Hình 3.10: Tổn thất động cơ
Hiệu suất của động cơ được xác định bởi tổn thất bên trong chỉ có thể giảm
bằng cách thay đổi thiết kế động cơ và điều kiện vận hành. Tổn thất có thể thay đổi
từ 2%-20%. Bảng 1 cho thấy các loại tổn thất ở một động cơ cảm ứng
Bảng 3.1: Các loại tổn thất ở động cơ không dồng bộ
Loại tổn thất
Tổn thất cố định hoặc tổn thất do lõi thép
Phần trăm tổn thất toàn phần
(100%)
25
Tổn thất biến đổi: tổn thất stato I2 R
34
Tổn thất biến đổi: tổn thất rôto I2 R
Tổn thất do ma sát và quấn lại
21
15
Tổn thất cơ khí của động cơ
5
Hiệu suất của động cơ có thể định nghĩa là “tỷ số của công suất đầu ra hữu dụng
của động cơ với công suất đầu ra toàn phần.”
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ bao gồm:
•
•
•
•
Lão hóa: động cơ mới hoạt động hiệu quả hơn.
Công suất. Với phần lớn các thiết bị, hiệu suất của động cơ tăng khi làm việc
ở công suất định mức
Tốc độ. Các động cơ tốc độ cao hơn thường hiệu quả hơn
Loại. Ví dụ như, động cơ lồng sóc thường hiệu quả hơn động cơ có vành
trượt.
21
•
•
•
Nhiệt độ. Động cơ có quạt làm mát hiệu quả hơn so với động cơ có lớp bảo
vệ chống ẩm (SPDP)
Quấn lại động cơ có thể làm giảm hiệu suất
Tải động cơ, được mô tả dưới đây
Giữa hiệu suất và tải của động cơ có mối liên hệ rõ ràng với nhau. Các nhà
sản xuất thiết kế động cơ vận hành ở mức tải 50-100% và hiệu quả nhất ở mức tải
75%. Nhưng khi tải giảm xuống dưới mức 50%, hiệu suất sẽ giảm rất nhanh. Vận
hành động cơ dưới 50% mức tải cũng có tác động tương tự, nhưng nhẹ hơn đối với
hệ số công suất. Hiệu suất của động cơ cao và hệ số công suất gần bằng 1 là mức
vận hành hiệu quả mong muốn và giúp giảm chi phí của toàn bộ dây chuyền chứ
không chỉ riêng với động cơ.
Vì lý do trên, khi đánh giá kết quả hoạt động của một động cơ, cần xác định
cả tải và hiệu suất. Để đo hiệu suất của động cơ, cần ngắt tải và đem động cơ đến
bộ phận kiểm tra để thực hiện một số kiểm tra. Kết quả của những lần kiểm tra
được so sánh với thông số hoạt động chuẩn của động cơ do nhà sản xuất cung cấp.
3.4.2 Tải của động cơ
a. Mục đích đánh giá tải động cơ điện
Bởi vì rất khó đánh giá hiệu suất của động cơ trong điều kiện vận hành bình
thường, có thể đo tải của động cơ như là một chỉ số đánh giá hiệu suất của động cơ.
Khi tải tăng, hệ số công suất và hiệu suất của động cơ tăng lên tới giá trị tối ưu ở
quanh mức đầy tải.
b. Cách đánh giá tải của động cơ
Phương trình dưới đây được sử dụng để xác định tải:
Tải =
Trong đó:
η = Hiệu suất vận hành của động cơ tính bằng %
HP = Mã lực ghi trên nhãn động cơ
Mức tải= Công suất ra chiếm % công suất thiết kế
Pi = công suất ba pha tính bằng kW
22
Có ba phương pháp để xác định tải của động cơ cho những động cơ vận hành riêng
lẻ:
•
•
•
Đo công suất đầu vào. Phương pháp này tính toán mức tải là tỷ số giữa công
suất đầu vào (đo bằng bộ phân tích công suất) và công suất định mức ở mức
tải 100 % .
Đo cường độ dòng điện. Tải được xác định bằng cách so sánh cường độ dòng
điện (được đo bằng bộ phân tích công suất) với cường độ dòng điện định
mức. Phương pháp này được sử dụng khi không xác định được hệ số công
suất và chỉ có sẵn giá trị cường độ dòng điện. Người ta cũng đề xuất sử dụng
phương pháp này khi phần trăm tải ít hơn 50%
Phương pháp trượt. Xác định tải bằng cách so sánh phương pháp trượt khi
động cơ đang hoạt động với mức trượt động cơ ở đầy tải. Độ chính xác của
phương pháp này hạn chế và chỉ có thể sử dụng phương pháp này với máy
đo tốc độ gốc (không cần sử dụng bộ phân tích công suất).
Vì cách đo công suất đầu vào là phương pháp thông dụng nhất, chỉ có phương pháp
này được mô tả cho động cơ ba pha.
3.5. Lựa chọn động cơ
Theo nội dung trên có thể thấy rằng động cơ một chiều là phù hợp nhất đối
với mô hình bài toán đưa ra. Hơn nữa nó còn rất thông dụng trên thị trường.
Vì vậy nhóm em sử dụng loại động cơ một chiều 5V có số hiệu MH001465
•
•
•
•
•
•
Động cơ làm việc ở điện áp 5VDC
Dòng tiêu thụ 400 – 500mA
Tốc độ 5V 12000r/Min
Đường kính trục : 2MM
Độ dài trục: 10MM
Khích thước động cơ : 202815MM
3.5.1 Cấu tạo
23
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần
động.
- Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra
từ trường nó gồm có:
+ Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích
từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc). Dây
quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các
cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau.
+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây
quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ
thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ
điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông.
Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều
được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các
cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau
+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ
phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo
giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những
bulông.
+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ
máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong
máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm
vỏ máy.
+ Các bộ phận khác:
•
•
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và
vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp
máy thường làm bằng gang.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi
than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt
lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện
24
với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho
đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
- Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau:
+ Phần sinh ra sức điện động gồm có:
•
•
Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau.
Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng.
Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật
nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được
nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách
điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp.
Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào
thành cổ góp nhờ lò xo.
Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật
điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do
dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt
dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ
thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ,
giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc
gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
+
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào
trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có
thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện
động và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có
bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thường dùng dây có
tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây
quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè
chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit.
25
