Điện tử công suất và điều khiển động cơ - Nguyên lý hoạt động chung

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG
Quá trình biến đổi năng lượng
Điện từ trường – Cơ năng
Điện từ là phương pháp biến đổi năng lượng được ứng 
dụng phổ biến nhất trong cơ cấu chấp hành cơ điện nói
chung và động cơ điện nói riêng.
 Năng lượng điện Từ trường Cơ năng
Công thức liên hệ mật độ từ thông và từ trườngB
r
H
r
trong đó là hằng số độ từ thẩm, là độ từ thẩm 
ứng với từng loại vật liệu. 
0µ
0( )rB H Hµ µ= ⋅ ⋅
ur uur uur
( )Hr rµ
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG
Quá trình biến đổi năng lượng (tiếp)
Định luật Lorenz
F i B= ×ur r ur
Khi một vật dẫn mang dòng điện được đặt trong từ trường, 
nó sẽ chịu tác động một lực cảm ứng theo công thức:
F
r
i
r
B
r
vectơ lực
vectơ dòng điện
vectơ mật độ từ thông
F F BLi= =ur
Độ lớn của lực Lorenz:
trong đó là từ thông. 
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG
Quá trình biến đổi năng lượng (tiếp)
Định luật Faraday
Chuyển động của một vật dẫn trong từ trường sẽ sinh ra 
một sức điện động (hiệu điện thế) ở hai đầu vật dẫn:
demf E
dt
φ= = −
emf E BLv= =
.B dAφ = ∫ rr
Vật có độ dài L chuyển động với 
tốc độ v không đổi trong từ trường 
không đổi vuông góc với bề mặt:
Định luật Boit-Savart
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG
Quá trình biến đổi năng lượng (tiếp)
Môt vật mang điện dài vô hạn, thẳng, sinh ra một từ trường 
quanh vật dẫn, mật độ từ thông B ở khoảng cách r được 
xác định như sau
0
2
rB i
r
µ µ
π= ⋅
Nếu độ dài L lớn hơn nhiều đường 
kính D thì B được xác định theo quy 
tắc bàn tay phải và có giá trị là
NB i
L
µ= ⋅
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG
Kết cấu của động cơ điện
Stator, phần tĩnh của động cơ, nó 
có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc 
cuộn dây.
Rotor, phần quay của động cơ, nó 
có thể là lõi sắt từ và các cuộn dây 
hoặc nam châm vĩnh cửu.
Tùy theo từng loại động cơ mà còn có thêm bộ phận khác 
như: vành góp, chuyển mạch
Mômen sinh ra trong động cơ điện là do tương tác giữa 
dòng điện phần ứng và từ trường stator.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG
Mạch từ của động cơ
Từ trường chính, móc vòng từ 
phần tĩnh sang phần ứng qua khe 
hở không khí.
Từ trường tản, móc vòng từ phần 
tĩnh qua vỏ máy, gông từ 
Từ thông chính được tạo ra từ từ 
trường chính và cảm ứng tạo nên 
suất điện động (sđđ) trong phần
0Φ
ứng. Từ thông tản không tham gia vào quá trình tạo 
sđđ nhưng góp phần làm bão hòa mạch từ, và giảm hiệu
suất hoạt động của động cơ.
σΦ
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG
Phát nhiệt của động cơ
Phát nhiệt gây ra do tổn hao của quá trình biến đổi năng 
lượng bên trong máy điện quay.
Tổn hao của động cơ được chia làm hai loại:
- Tổn hao đồng, gây ra do điện trở của cuộn dây, làm 
phát nhiệt trên chính cuộn dây.
- Tổn hao từ hóa, gây ra do từ thông tản không móc 
vòng qua phần ứng, làm phát nhiệt.
Phát nhiệt còn phụ thuôc vào chế độ làm việc của động 
cơ:
- Chế độ định mức liên tục, nhiệt độ tăng đến giá trị xác 
lập (nhiệt độ làm việc).
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG
Phát nhiệt của động cơ
- Chế độ làm việc định mức ngắn hạn, nhiệt độ thăng 
giáng ít
- Chế độ làm việc gián đoạn lắp lại, nhiệt độ dao động 
trong phạm vi thấp hơn nhiệt độ làm việc.
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Cấu tạo Stator, phần tĩnh, là các cực lồi 
ghép từ lá thép kỹ thuật điện, và 
các cuộn dây quấn xung quanh.
Rotor, phần ứng, là các cuộn
dây đặt giữa các rãnh.
Từ trường tạo ra có dạng đập 
mạch, hiệu suất hoạt động 
thấp.Có 3 phương pháp nâng 
cao hiệu suất hoạt động:
- tăng số cuộn dây;
- tăng số đôi cực;
- tăng số vòng dây.
: là hệ số sức điện động
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ kích từ độc lập
aaRIEU +=
Phương trình cân bằng điện áp 
phần ứng:
Sức điện động của phần ứng:
nKn
a
pNE eΦ=Φ= 60
Mômen điện từ của động cơ:
aa IKIa
pNM Φ=Φ= π2 eKK : là hệ số cấu tạo
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ kích từ độc lập
Phương trình đặc tính cơ
( ) MK
R
K
U
2Φ−Φ=ω
Phương trình đặc tính cơ liên hệ 
giữa tốc độ và mômen:
Phương trình đặc tính cơ điện 
liên hệ giữa tốc độ và dòng điện
phần ứng:
( ) aIK
R
K
U
Φ−Φ=ω
càng tăng.
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ kích từ độc lập
Phương trình đặc tính cơ
Ảnh hưởng của điện trở phần
ứng (mắc thêm điện trở phụ
nối tiếp với cuộn dây phần
ứng), đặc tính cơ càng dốc khi
axR
axR
Phương pháp điều chỉnh điện
trở phần ứng được ứng dụng
cho bài toán hạn chế dòng điện
và điều chỉnh tốc độ động cơ
dưới tốc độ cơ bản.
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ kích từ độc lập
Phương trình đặc tính cơ
Ảnh hưởng của điện áp phần
ứng (thay đổi điện áp đặt vào
phần ứng-giảm áp), độ dốc của
đường đặc tính không đổi
nhưng giá trị momen ngắn
mạch, dòng điện ngắn mạch,
tốc độ không tải giảm theo giá
trị điện áp giảm. 
Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng sử dụng cho
bài toán điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện
khi khởi động.
0ω
01ω
02ω
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ kích từ độc lập
Phương trình đặc tính cơ
Ảnh hưởng của từ thông, từ
thông được thay đổi thông qua 
việc thay đổi dòng điện kích từ
tại mạch kích từ. Khi thay đổi từ
thông, mômen của phần ứng
cũng bị thay đổi theo.
Phương pháp điều chỉnh từ
thông sử dụng cho bài toán
điều chỉnh mômen. 
0ω
0ω
01ω
01ω
02ω
02ω
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ kích từ song song
Nếu giả thiết nguồn lưới cấp cho 
động cơ đủ lớn và điện áp được 
giữ cố định trong suốt quá trình làm 
việc thì ta có thể coi động cơ kích 
từ song song là một động cơ kích 
từ độc lập.
Phương trình đặc tính cơ và cơ 
điện hoàn toàn tương tự như động 
cơ kích từ độc lập.
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ kích từ nối tiếp
Phần kích từ được mắc nối tiếp với 
phần ứng. Phương trình cân bằng 
điện áp phần ứng:
Sức điện động của phần ứng:
Mômen điện từ của động cơ:
( ) ama IRREU ++=
nKn
a
pNE eΦ=Φ= 60
aa IKIa
pNM Φ=Φ= π2
: là hệ số sức điện độngeK
K : là hệ số cấu tạo
Phương trình đặc tính cơ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ kích từ nối tiếp
Phương trình đặc tính cơ liên hệ 
giữa tốc độ và mômen:
Phương trình đặc tính cơ điện 
liên hệ giữa tốc độ và dòng điện
phần ứng:
a
ma I
K
RR
K
U
Φ
+−Φ=ω
( ) MK
RR
K
U ma
2Φ
+−Φ=ω
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ kích từ nối tiếp
Đặc tính cơ của động cơ phụ thuộc theo tải, có khả năng 
chịu quá tải lớn về mômen do đó động cơ kích từ nối tiếp 
được sử dụng cho hệ truyền động có yêu cầu hệ số làm 
việc quá tải lớn hoặc yêu cầu mômen khởi động lớn.
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Cấu tạo
Stator có cấu tạo là 3 cuộn dây đặt lệch 
nhau một góc 120 độ. Điện áp đặt vào là 
3 pha.
Rotor có cấu tạo lồng sóc hoặc 3 cuộn 
dây quấn quanh lõi sắt từ.
Từ trường sinh ra bởi điện áp 3 pha đặt 
vào stator có tốc độ quay
60
sè cÆp cùc
=s fN
Hệ số trượt s: s
s
N N
s
N
−=
sN : tốc độ đồng bộ
: tốc độ quay rotorN
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Đặc tính cơ
Ở chế độ động cơ, đặc tính cơ nằm 
ở góc phía trên bên phải của mặt 
phẳng tọa độ. Mômen đạt cực đại 
ứng với trường hợp động cơ chạy 
đầy tải.
Đặc tính dòng điện 
phía stator và rotor
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Đặc tính cơ
Ảnh hưởng của điện áp stator
Ảnh hưởng của điện áp stator đến đặc
tính cơ, khi điện áp càng giảm thì ta có
(tốc độ đồng bộ) và vẫn giữ
nguyên, trong khi giá trị mômen ngắn
mạch giảm dần.
1ω
Phương pháp điều chỉnh này phù hợp với phụ tải bơm và
quạt gió, không phù hợp với tải không đổi.
Với động cơ công suất lớn, phương pháp được sử dụng
để hạn chế dòng điện khi khởi động.
ths
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Đặc tính cơ
Ảnh hưởng của tổng trở stator
ths
fR
Khi lắp thêm điện trở hoặc điện kháng
vào mạch stator vẫn giữ nguyên còn
và mômen ngắn mạch giảm xuống. Tuy
nhiên đặc tính cơ khi thêm
vẫn cứng hơn so với
1ω
fX
s
01ω
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Đặc tính cơ
Ảnh hưởng của tổng trở rotor
Khi lắp thêm điện trở vào mạch rotor
và mômen ngắn mạch vẫn giữ
nguyên còn tăng lên. 
1ω
ths
Khi điện trở lắp thêm càng tăng thì đặc
tính cơ càng mềm, dòng điện khởi
động càng giảm.
sth
1ω
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Đặc tính cơ
Ảnh hưởng của tần số điện áp stator
Khi tần số thay đổi thì tốc độ từ trường
quay và tốc độ động cơ sẽ thay đổi.
Vùng (1) tương ứng với
dmff 11 >
dmff 11 <
Vùng (2) tương ứng với
Trong vùng (2), khi tần số giảm, điện
áp cùng giảm tỷ lệ để đảm bảo duy trì
mômen không đổi.
f11
f12
f13
f14
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3 PHA
Cấu tạo
Stator có cấu tạo là 3 cuộn dây đặt lệch 
nhau một góc 120 độ. Điện áp đặt vào 
là 3 pha.
Rotor có cấu tạo nam châm điện hoặc 
cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ.
Tốc độ quay của động cơ được xác 
định theo công thức sau:
60
sè cÆp cùc
=s fN
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3 PHA
Đặc tính cơ
Trong phạm vi cho phép, đặc 
tính mômen – tốc độ có độ 
cứng tuyệt đối.
Khi thì động cơ mất 
đồng bộ.
Đặc tính mômen – góc biểu 
diễn quan hệ mômen và góc 
lệch giữa vectơ điện áp pha 
lưới điện và vectơ sức điện 
động cảm ứng trong dây quấn 
stator do từ trường một chiều 
rotor sinh ra.
maxMM >
ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
Đặc điểm
Động cơ tuyến tính là loại động cơ tạo trực tiếp chuyển 
động thẳng.
- Phần chuyển động là stator, phần đứng yên là rotor
- Nguồn cấp đặt vào phần chuyển động
- Động cơ thông thường tạo chuyển động quay có hai 
thông số đầu ra cần quan tâm là mômen và vận tốc góc, 
còn động cơ tuyến tính tạo chuyển động tịnh tiến có hai 
thông số đầu ra là lực kéo và vận tốc dài.
ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
Phân loại
Động cơ tuyến tính kiểu không đồng bộ: từ thông được 
tạo nên bởi thành phần dòng stator.
Động cơ tuyến tính kiểu đồng bộ: từ thông được tạo 
nên bởi một cuộn kích thích biệt lập với các cuộn dây 
stator hoặc bởi các phiến nam châm vĩnh cửu bố trí đều 
đặn trên bề mặt phần tĩnh.
ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
Cấu tạo
ĐCTT kiểu không đồng bộ LIM (Linear Induction motor)
1. Bắt đầu từ ĐCKĐB rotor lồng sóc, cắt và trải
thẳng động cơ.
2. Thay rotor bằng tấm dẫn điện
3. Cấp nguồn xoay chiều và ta có LIM
4. Với 2 stator có thể bỏ được phiến phản ứng
ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
Cấu tạo
Phần chuyển động: gồm có 3 module chuyển động. Mỗi
module có một nam châm năng lượng cao và một cuộn
dây mà lõi của nó đặt song song với nam châm. Phần
chuyển động liên hệ với phần tĩnh thông qua hệ thống
răng, khe cắm và khe hở không khí.
Phần tĩnh: là một tấm kim loại phi từ tính đặt dưới phần
chuyển động. Trên bề mặt là các phiến nam châm vĩnh
cửu được bố trí một cách đều đặn.
ĐCTT kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu PMLMS 
(Permanent magnet linear synchronous motor)
ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
Cấu tạo
Cấu tạo một module 
chuyển động
Cấu tạo của PMLSM 
với 3 module chuyển
động
PMLMS
ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
Nguyên lý làm việc
Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
9Khi các cuộn dây được cấp nguồn, dòng xoay chiều ba pha
qua 3 cuộn dây tạo thành vector dòng di chuyển theo
phương nằm ngang. Thành phần dòng trục q tạo với từ thông
của NCVC thành lực kéo nằm ngang. 
9Lực kéo này có thể làm động cơ chuyển động theo cả hai
chiều. Việc đảo chiều được thực hiện nhờ đảo dấu thành
phần dòng trục q (trục vuông góc với trục từ thông cực).
ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH