Giáo trình Máy điện 1- Chương 7: Máy điện đặc biệt

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.



U

U

K

K

m

/ 2
Ebamax

E
Eba= 0

(a)

(b)

(c)

Hình 7.1 Sđđ biến áp do từ thông m sinh ra trong dây quấn phấn ứng khi n = 0

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.


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: E ba   2fNk dq  m
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 và phần ứng
K
U
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:

Eba()
pN
Eq 
m n
(7.2)
60a
Ta thấy:
 Sđđ Eq phụ thuộc vào n và m
 Trong phần tử dây quấn sđđ nầy
pn
Hình 7.2 Sđđ Eba sinh ra trong dây quấn
có tần số f q 
phấn ứng khi dịch chổi than khỏi
60
đường trung tính hình học một góc 
 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 .
t

Eq ( )  Eq cos 

(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.
pn
+ Sđđ quay có tần số f q 
60
 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  nm  m

(7.4)


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:

E A  B  E 2ba sin 2   Eq2 cos2 

K

U

(7.5)

E q
(+n)

m


n

(-n)

(a)

Eq

(b)

E q

Hình 7.3 Sđđ quay Eq sinh ra trong dây quấn phấn ứng do từ trường đập mạch.

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.

U


K


202

2. Mômen của động cơ
Gọi: i æ  Iæm sin t : dòng tức thời của phần ứng;
   m sin(t   ) : 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 :
M t  CM i æ 

M t  CM I æm sin t. m sin(t   )
Mômen trung bình:
1T
1 2
M tb   M t dt 
M t d (t )
T0
2 0
CM

I æm m cos   CM I æ  cos 
2
Trong đó: Iư = trị hiệu dụng của dòng điện phần ứng.
 = trị hiệu dụng của từ thông kích thích.
M tb 

(7.6)

Mt
m
Hình 7.5 Đường cong dòng điện, từ
thông và mômen của động cơ điện
nối tiếp một pha

0



Mtb t
2
iư



3. Đồ thị vectơ
Giả thiết: + Động cơ quay với tốc độ n, và
+ Chổi than đặt trên đường trung tính hình học


203


U

j XI

jX k I




jXI

I
RI 
m

Hình 7.6 Đồ thị vectơ của
động cơ điện kích thích
nối tiếp một pha

- E q

E q

Ta có phương trình cân bằng điện áp:
  E
 q  jI(X K   X)  IR
U

  E q  jIX  IR
U

(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
1.5

n

U=100%

n âm
90%
80%

0.5

70%

Hình 7.7 Đặc tính cơ n = f(M) ở các trị số điện áp
khác nhau của động cơ nối tiếp một pha

40%
0

0.5

60%
50%
1

M/Mđm
1.5

2

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.


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

, cos

1

cos

U=100%
80%
70%
0.5



60%

40%
50%
0

M/Mđm
0.5

1

1.5

Hình 7.8 Đặc tính  và cos = f(M) ở các trị số điện
áp khác nhau của động cơ nối tiếp một pha

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
K
C
tốc độ cao như máy mài, máy khoan, máy
hút bụi, máy lau nhà, máy khâu ..
U

U

C
K

Hình 7.9 Sơ đồ nguyên lý của động cơ kích
thích nối tiếp vạn năng

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


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.

Hình 7.10 : Cấu tạo động cơ BLDC

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 hì nh tam giác.


206

Rotor như trên hì nh 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 hì nh
7.12 trình bày một vài cách thông dụng thường dùng cho BLDC

(a)

(b)

(c)

Hình 7.12 : Cấu tạo Rotor động cơ BLCD

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 hì nh toán động cơ BLDC :

207
Để mô tả toán học mô hình của động cơ BLDC ta có sơ đồ điện như trì nh
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:

diSa

u

e

R
i

(
L

M
)
Sa
a
S
Sa
S

dt


diSb
u Sb  e b  R Si Sb  (L S  M )
dt

di
 u  e  R i  (L  M ) Sc
c
S Sc
S
 Sc
dt

(7.8)

Hình 7.13 Mô hình mạch động cơ BLCD

Công suất tiêu thụ của động cơ là:

P  e a i sa  e b i sb  e c i sc  MΩ R

(7.9)

Suy ra mômen điện từ của động cơ:

M

e a i sa  e b i sb  e c i sc
ΩR

(7.10)

Phương trình động học của động cơ sẽ là:

dΩ R
1 dΩ s 1 e a i sa  e b i sb  e c i sc


 (
 Ml )
dt
Zp
dt
j
ΩR

(7.11)

Các giá trị suất điện động ea; eb; ec có dạng hình thang và lệch nhau các góc
lần lượt là: 0; 2 / 3; 4 / 3

 e a  e p Ω R e(θ R )

e b  e p Ω R e(θ R  2π / 3)
e  e Ω e(θ  4π / 3)
p R
R
 c

(7.12)

208

Với

 6θ R
  π

 1

eθ R   
6(θ R  π)
 
π


  1

π
π
 θR 
6
6
π
5π
khi
 θR 
6
6
5π

7π
khi
 θR 
6
6
7π
11π
khi
 θR 
6
6
khi 

(7.13)

Hình 7.14 : Đồ thị dạng sóng của các sức điện động

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:
1
M
(e a i sa  e b i sb  e c i sc )
(7.14)
ΩR
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.


209

Hình 7.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ BLDC

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:
*
I A  I A 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: I A*  I A 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

I A*  0 thì các van T1,T4 đều đóng
I B*  0 thì các van T3,T6 đều đóng
IC*  0 thì các van T2,T5 đều đóng


210
Việc đóng mở các van để tạo nên trình tự này phụ thuộc vào vị trí hiện tại của
rotor. Các góc 60o 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:

Ea

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

2
3

T1

0

t
T4

T4

2
3

Eb
0

T1

T3

T3
T6

t

T6

Ec

T5

0

T2

T2

t


6

T1 T6 T1 T2 T2 T3 T3 T4 T4 T5 T5 T6 T6 T1

2
Hình 7.16 Giá trị suất điện động và dòng đặt của động cơ BLDC

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


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 3600/450 = 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/
 =   bước
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:

(7.15)
(7.16)


212

n
Trong đó:

βf
360

(7.17)

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.
A1

N

N

B1

S

S
N

S

S

N

S

N

N
S

N

S

A2

B2
(a)

(b)

(c)

Hình 7.17 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

7.3.2. Động cơ bƣớc VR
Động cơ từ trử biến thiên (variable reluctance stepper motor) cũng được hình
thành trên cơ sở của động cơ PM gồm stator và rotor. Kết cấu stator trên từng pha
của động cơ VR giống động cơ PM, gồm nhiều đoạn- stator có chung vỏ máy và
rotor có chung một trục. Cấu tạo các rãnh và rãnh stator-rotor được trình bày trên
hình 7.17a. Cở răng và số răng trên stator-rotor bằng nhau. Các đoạn trên stator có
dây quấn kích thích, còn rotor thì không. Mạch điện đơn giản cấp điện cho stator

trình bày trên hình 7.17b. Tám cuộn dây stator nối đến nhóm hai cuộn dây hình
thành bốn mạch điện độc lập gọi là pha. Mỗi pha có nối đến một công tắc K, ở đây
trình bày là công tắc cơ khí nhưng trong thực tế công tắc K là chuyển mạch điều
khiển điện tử.


213

A

A’

K1

B

B’

K2

C

C’

K3

D

D’

K4

E
(a)

(b)

Hình 7.18 Động cơ bước từ trở biến đổi

Lúc đầu cấp điện cho dây quấn pha B stator, rotor bị kéo đến vị trí có từ trở cực
tiểu gần nhất, là vị trí các răng stator và rotor thẳng hàng như trình bày trên hình
7.17a. Răng 6 và 3 của rotor thẳng hàng với B và B’ stator. Để rotor quay theo
chiều kim đồng hồ ta cấp điện cho cuộn C, tại thời điểm này từ trở trong động cơ
lớn, mômen từ tác động lên trục rotor làm rotor quay theo chiều giảm từ trở. Và
rotor quay theo cho tới khi từ trở nhỏ nhất, răng 5 và 2 của rotor thẳng hàng với C
và C’ stator, mômen bằng không, trục động cơ đứng yên. Rotor ở vị trí cân bằng
mới. Nếu cấp điện cho các cuộn dây lần lược BCDAB rotor quay từng bước theo
chiều kim đồng hồ. Muốn rotor quay theo chiều ngược lại ta cung cấp điện cho các
cuộn dây theo thứ tự BADCB. Lưu ý rằng rotor của động cơ làm bằng thép non
nên khi mất điện rotor không có từ dư vì vậy không bị hãm nên quay tự do dưới
tác dụng của tải. Đây là nhược điểm của loại động cơ này.
7.3.3. Động cơ bƣớc kiểu lai
Thực chất động cơ bước kiểu lai (hybride stepping motor) là đặc trưng cấu
trúc của cả hai động cơ bước nam châm vĩnh cửu với đặc tính cấu trúc xếp chồng
răng rotor theo kiểu động cơ từ trở. Stator và rotor động cơ kiểu lai đang khảo sát
cũng giống như động cơ VR, chia thành hai đoạn. Cấu trúc chi tiết được trình bày
trên hình 7.19. Động cơ kiểu lai có thêm nam châm vĩnh cửu được đặt dọc trục
giữa hai đoạn rotor có dạng mặt trụ hình khuyên. Các đoạn rotor được làm bằng
thép non và tạo răng ép vào trục rotor. Vì có nam châm vĩnh cửu nên tất cả các
răng ở một đầu rotor trên một đoạn có cùng cực tính và các răng ở đoạn đầu kia

rotor có cực tính ngược lại. Hai bộ răng này lệch nhau nửa bước răng. Số răng trên


214
stator và rotor động cơ bước VR bằng nhau, nhưng đối với động cơ kiểu lai số
răng trên rotor nhiều hơn số răng trên stator.
Về nguyên lý làm việc, ta xét pha A stator được cấp điện để cực từ trên stator
(hình 7.20) là cực N và cực từ đưới là cực S. Khi răng gần nhất (cực S) của đoạn
rotor phía trước được kéo vào vị trí khóa với cực từ N stator, đồng thời ở phía dưới
stator răng rotor (cực N) được kéo vào vị trí và khóa với cực từ S stator. Rotor ở vị
trí này, có lực đẩy cân bằng nhau, nên đây là vị trí ổn định và tổng mômen trên
trên rotor bằng không.

Nắp sau

Vỏ máy
Dây quấn
stator
Vít lắp
Hai đoạn
răng rotor

Nam châm
vĩnh cửu

Nắp trước
Hình 7.19 Động cơ bước kiểu lai

Nếu cấp điện chuyển từ pha A sang pha B, cực từ stator bên phải là cực N và
bên trái là cực S, rotor sẽ quay theo chiều kim đồng hồ đến vị trí khóa mới, nếu

cấp điện theo chiều ngược lại, rotor sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ. Nếu cắt
điện rotor vẫn tiếp tục giữ vị trí cũ. Động cơ lai ghép có bước chính xác hơn động
cơ nam châm vĩnh cửu khi tăng số răng xếp chồng và cộng thêm cặp xếp trên
rotor.
Pha A1
Đánh dấu

Stator

N

Pha B


215

Trong thực tế, trên các cực từ người ta lắp hai cuộn dây để có thể dễ dàng thay
đổi cực tính.

  

CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Khi đưa điện áp xoay chiều một pha vào động cơ xoay chiều một pha có vành
góp thì trong đó xuất hiện các sđđ nào, tính chất của chúng ra sao?


216
2. Tình bày nguyên lý làm việc và cách vận hành của loại động cơ nối tiếp một
pha?
3. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ BLDC.

4. Động cơ bước có ưu điểm gì mà được sử dụng nhiều trong hệ điều khiển.
5. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của các động cơ bước

  


217

SÁCH THAM KHẢO

[1] Charles I. Hubert P.E., Electric Machines - Theory, Operation,
Applications, Adjustment and Control, Prentice Hall, 2002.
[2] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu. Máy
điện 1,2. NXB Khoa học kỹ thuật 1997, 1998, 2001, 2003, 2005, 2006.
[3] Trần Văn Chính . Máy điện tập 1,2. NXB Giáo dục 1996.
[4] Nguyễn Thế Sang, Nguyễn Trọng Thắng. Máy điện và Mạch điều khiển.
NXB Thống kê 2003.
[5] Nguyễn Hồng Thanh, Nguyễn Phúc Hải. Máy điện trong thiết bị tự
động. NXB Giáo dục 1999.
[6] A.I. Boльдeк. Электричекие машины. Энepгия, Mocквa 1978.
[7] A.V. IVANOV, SMOLENSKI. Máy điện tập I, II, III. Vũ Gia Hanh và
Phan Tử Thụ biên dịch, NXB Khoa học kỹ thuật 1992.
[8] A. Э. Бpycкин, A.E. Зopoxoвич, B.C.Xвocтов, Электричекие машины
и микрoмашины, Mocквa, Bыcшaя шкoлa 1981.
[9] B.C. SEN, Principles of electric machines and power electronics, John
Wiley & Son 1997
[10] Mulukutla S. Sarma, Electric Machines, PWS Publishing Company,
1996

MỤC LỤC

Chƣơng 1

NGUYÊN LÝ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

2


218
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8

Đại cương về máy điện đồng bộ
Cấu tạo máy điện đồng bộ
Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng bộ
Tư trường trong máy điện đồng bộ
Máy điện đồng bộ cực ẩn
Máy điện đồng bộ cực lồi
Đơn vị tương đối máy điện đồng bộ
Bài tập và câu hỏi ôn tập

Chƣơng 2 VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
39
2.1 Đặc tính của máy phát điện đồng bộ
2.2 Máy phát điện đồng bộ làm việc song song

2.3 Đặc tính điều tốc của động cơ sơ cấp
2.4 Phương pháp dừng máy an toàn
2.5 Dùng tam giác đặc tính để giải các bài toán về MF làm việc song song
2.6 Phân phối công suất cho các MF làm việc song song
2.7 Động cơ điện đồng bộ
2.8 Dùng ĐB để năng cao hệ số công suất
2.9 Ảnh hưởng của thay đổi tải đén các than số
2.10 Tổn hao và hiệu suất máy điện đồng bộ
2.11 Máy bù đồng bộ
2.12 Thí nghiệm máy điện đồng bộ
2.13 Bài tập và câu hỏi ôn tập
Chƣơng 3

QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

86

3.1 Khái niện và các giả thiết
3.2 Ngắn mạch đột nhiên ba pha
3.3 Câu hỏi ôn tập
Chƣơng 4

NGUYÊN LÝ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

4.1 Đại cương về máy điện một chiều
4.2 Cấu tạo máy điện một chiều
4.3 Dây quấn phần ứng máy điện một chiều
4.4 Các đại lượng định mức của máy điện một chiều
4.5 Nguyên lý làm việc máy điện một chiều
4.6 Quan hệ điện từ trong máy điện một chiều

4.7 Phân loại máy điện một chiều theo phương pháp kích thích
4.8 Phản ứng phần ứng máy điện một chiều
4.9 Đổi chiều trong máy điện một chiều
4.10 Các phương pháp cải thiện đổi chiều
4.11 Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng
4.12 Câu hỏi ôn tập và bài tập
Chƣơng 5 MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
5.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập
5.2 Máy phát điện một chiều kích từ song song
5.3 Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp

94

133


219
5.4 Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp
5.5 Bài tập và câu hỏi ôn tập
Chƣơng 6
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

162

Đại cương
Động cơ điện một chiều kích từ song song
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
Mở máy động cơ một chiều
Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
Bài tập và câu hỏi ôn tập

Chƣơng 7

MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT

198

7.1 Động cơ điện xoay chiều một pha có vành góp
7.2 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
7.3 Động cơ bước
7.4 Câu hỏi ôn tập
BÀI TẬP
TÀI LIỆU THAM KHẢO
MỤC LỤC

216
217