Cơ bản về động cơ - lý thuyết và định luật để thiết kế động cơ

Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào để một động cơ quay? Các nguyên tắc cơ bản liên quan là gì? Nó được kiểm soát như thế nào? Động cơ chổi than DC đã có mặt trên thị trường từ rất lâu và chúng quay dễ dàng chỉ bằng nguồn điện / pin DC trong khi động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu liên quan đến điện tử phức tạp và lý thuyết điều khiển để quay chúng hiệu quả. Trước khi chúng ta tìm hiểu động cơ DC là gì hoặc các loại động cơ khác là gì, điều quan trọng là phải hiểu hoạt động của động cơ tuyến tính - động cơ cơ bản nhất. Điều này sẽ giúp chúng tôi hiểu các nguyên tắc cơ bản đằng sau động cơ quay.

Tôi là Kỹ sư điều khiển động cơ và điện tử công suất và blog tiếp theo sẽ là về điều khiển động cơ. Nhưng có một số chủ đề cần thiết phải hiểu trước khi đi sâu vào điều khiển động cơ và chúng tôi sẽ đề cập đến chúng trong bài viết này.

Hoạt động của một động cơ tuyến tính
Các loại động cơ và lịch sử của nó
Độ mặn
Tương tác thông lượng giữa Stator và Rotor

Hoạt động của một động cơ tuyến tính

Là một kỹ sư điện tử công suất, tôi không biết nhiều về hoạt động của động cơ. Tôi đọc nhiều ghi chú, sách và video tham khảo. Tôi đã gặp khó khăn để hiểu sâu về một số động cơ và điều khiển của nó cho đến khi tôi tham khảo lại các định luật chuyển đổi năng lượng cơ điện cơ bản - Định luật Lực Faraday và Lorentz. Chúng ta sẽ dành một chút thời gian để tìm hiểu những luật này. Một số bạn có thể đã biết điều đó nhưng thật tốt khi xem lại chúng một lần nữa. Bạn có thể học được điều gì đó mới.

Định luật Faraday

Định luật cảm ứng Faraday phát biểu mối quan hệ giữa từ thông của cuộn dây và điện áp cảm ứng trong nó.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Trong đó Φ đại diện cho từ thông trong cuộn dây. Đây là một trong những phương trình cơ bản được sử dụng để tính mô hình điện của động cơ. Tình huống này không xảy ra trong động cơ thực tế vì cuộn dây sẽ bao gồm một số vòng, phân bố trong không gian và chúng ta sẽ phải tính đến từ thông qua mỗi vòng này. Thuật ngữ liên kết thông lượng (λ) biểu thị tổng thông lượng được liên kết với tất cả các cuộn dây và nó được cho bởi phương trình sau

Φ _n đại diện cho từ thông liên kết với cuộn ^thứ n và N là số vòng dây. Nó có thể được mô tả như cuộn dây được tạo thành từ N vòng đơn trong một cấu hình nối tiếp. Vì vậy,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Dấu trừ thường được quy vào định luật Lenz.

Định luật Lenz phát biểu như sau: Một EMF (suất điện động) được cảm ứng trong một cuộn dây nếu từ thông liên kết với nó thay đổi. Phân cực của EMF là sao cho nếu một điện trở bị cắt ngang qua nó, thì dòng điện chạy trong nó sẽ chống lại sự thay đổi từ thông gây ra EMF đó.

Chúng ta hãy hiểu định luật Lenz thông qua một dây dẫn (thanh) đặt trong từ trường (B̅) hướng xuống dưới vào mặt phẳng của tờ giấy như hình trên. Một lực F tác _dụng làm thanh di chuyển theo phương ngang nhưng thanh luôn tiếp xúc với dây dẫn nằm ngang. Điện trở bên ngoài R được sử dụng như một shunt để cho phép dòng điện chạy qua. Vì vậy, sự sắp xếp hoạt động giống như một mạch điện đơn giản với nguồn điện áp (EMF cảm ứng) và một điện trở. Thông lượng liên kết với vòng lặp này đang thay đổi khi diện tích liên kết với B̅ ngày càng tăng. Điều này gây ra EMF trong mạch theo Định luật Faraday (cường độ được quyết định bởi tốc độ thay đổi của từ thông) và Định luật Lenz (cực được quyết định sao cho dòng điện cảm ứng sẽ chống lại sự thay đổi của từ thông).

Quy tắc ngón tay cái tay phải sẽ giúp chúng ta biết được hướng của dòng điện. Nếu chúng ta cuộn các ngón tay lại theo hướng của dòng điện cảm ứng, thì ngón tay cái sẽ cho hướng của trường tạo bởi dòng điện cảm ứng đó. Trong trường hợp này, để chống lại từ thông ngày càng tăng do trường B̅, chúng ta cần phát triển một trường ra khỏi mặt phẳng của tờ giấy, và do đó, dòng điện sẽ chạy theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Kết quả là, đầu cuối A tích cực hơn đầu cuối B. Theo quan điểm của tải, EMF dương được phát triển với thông lượng tăng dần và do đó chúng ta sẽ viết phương trình dưới dạng

e (t) = d λ / dt

Quan sát rằng chúng ta đã bỏ qua dấu âm khi chúng ta đang viết phương trình này theo quan điểm của tải. (Một trường hợp tương tự sẽ xuất hiện khi chúng ta bắt đầu xử lý động cơ). Mạch điện cuối cùng sẽ có dạng như hình dưới đây. Mặc dù trường hợp được thảo luận là của máy phát điện, chúng tôi đã sử dụng quy ước dấu hiệu theo quan điểm của động cơ và cực tính được hiển thị trong hình dưới đây là đúng. (Nó sẽ trở nên rõ ràng khi chúng ta chuyển sang hoạt động của động cơ).

Chúng ta có thể tính toán EMF gây ra như sau. Một cuộn dây gồm 1 lượt (dây dẫn trong trường hợp này) sẽ tạo ra liên kết từ thông là:

Trong đó A là diện tích của vòng dây, l là chiều dài của dây dẫn, v là vận tốc mà thanh chuyển động do lực tác dụng.

Nhìn vào phương trình trên, chúng ta có thể nói rằng độ lớn của EMF tỷ lệ với tốc độ của dây dẫn và không phụ thuộc vào điện trở bên ngoài. Nhưng điện trở bên ngoài sẽ quyết định lượng lực cần thiết để duy trì vận tốc (và do đó là dòng điện). Cuộc thảo luận này được tiếp tục về phía trước dưới dạng Luật Lorentz.

Luật Lorentz

Chúng tôi sẽ kiểm tra phương trình đầu tiên và sau đó cố gắng hiểu nó.

F = q. (E + Vc x B)

Nó chỉ ra rằng khi một hạt mang điện tích q chuyển động với vận tốc v _c trong trường điện từ thì nó chịu một lực. Trong động cơ, điện trường E là không liên quan. Vì vậy, F = q. Vc. B

Nếu trường không đổi theo thời gian trên chiều dài của dây dẫn và vuông góc với nó, ta có thể viết các phương trình trên dưới dạng:

F = q. dx / dt. B = dq / dt. x. B = il B = B. i. l

Chứng tỏ rằng lực tác dụng lên điện tích tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện.

Quay lại hình đầu tiên, chúng ta đã thấy rằng một lực bên ngoài tác dụng gây ra EMF tạo ra dòng điện trong một điện trở. Tất cả năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt trong điện trở. Định luật bảo toàn năng lượng cần được thỏa mãn và do đó chúng ta nhận được:

F. v = e. Tôi

Phương trình này biểu thị cách năng lượng cơ học được chuyển đổi thành năng lượng điện. Sự sắp xếp này được gọi là bộ tạo tuyến tính.

Cuối cùng chúng ta có thể kiểm tra cách một động cơ chạy, tức là cách năng lượng điện được chuyển thành năng lượng cơ học. Trong hình dưới đây, chúng tôi đã thay thế điện trở bên ngoài bằng một điện trở gộp của mạch và bây giờ có một nguồn điện áp bên ngoài cung cấp dòng điện. Trong trường hợp này, chúng ta sẽ quan sát một lực được phát triển (F _{PHÁT TRIỂN}) được đưa ra bởi Định luật Lorentz. Hướng của lực có thể được thiết lập theo Quy tắc Bàn tay phải được hiển thị bên dưới

Đây là cách hoạt động của động cơ tuyến tính. Tất cả các động cơ đều bắt nguồn từ những nguyên tắc cơ bản này. Có rất nhiều bài báo và video chi tiết mà bạn sẽ tìm thấy mô tả hoạt động của động cơ DC có chổi than, động cơ không chổi than, động cơ PMSM, động cơ cảm ứng, v.v. Vì vậy, không có ý nghĩa gì khi tạo thêm một bài báo mô tả hoạt động. Đây là liên kết đến một số video giáo dục hay về các loại động cơ và hoạt động của nó.

Lịch sử của động cơ

Trong lịch sử, có ba loại động cơ được sử dụng rộng rãi - động cơ DC cổ góp chổi than, động cơ đồng bộ và động cơ cảm ứng. Nhiều ứng dụng đòi hỏi tốc độ thay đổi và động cơ DC đã được sử dụng rộng rãi. Nhưng sự ra đời của thyristor vào khoảng năm 1958 và công nghệ bóng bán dẫn đã thay đổi hoàn cảnh.
Biến tần được phát triển giúp ứng dụng kiểm soát tốc độ hiệu quả. Các thiết bị bóng bán dẫn có thể được bật và tắt theo ý muốn và nó cho phép hoạt động PWM. Các sơ đồ điều khiển cơ bản đã được phát triển trước đó là ổ đĩa V / f cho máy cảm ứng.
Song song, nam châm vĩnh cửu bắt đầu thay thế cuộn dây trường để nâng cao hiệu quả. Và việc sử dụng biến tần cùng với máy nam châm vĩnh cửu hình sin cho phép loại bỏ chổi than để nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy của động cơ.
Bước quan trọng tiếp theo là kiểm soát những chiếc máy không chổi than này. Lý thuyết hai phản ứng (hay lý thuyết dq) được Andre Blondel giới thiệu ở Pháp trước năm 1900. Nó được kết hợp với các vectơ không gian phức tạp cho phép lập mô hình máy một cách chính xác ở trạng thái nhất thời và ổn định. Lần đầu tiên, các đại lượng điện và cơ có thể liên hệ với nhau.
Động cơ cảm ứng không có nhiều thay đổi cho đến năm 1960. Hai người Đức - Blaschke và Hasse đã thực hiện một số cải tiến quan trọng dẫn đến việc điều khiển véc tơ nổi tiếng hiện nay của động cơ cảm ứng. Điều khiển vectơ đề cập đến mô hình nhất thời của động cơ cảm ứng hơn là trạng thái ổn định. Bên cạnh việc kiểm soát tỷ lệ biên độ điện áp trên tần số, nó cũng kiểm soát pha. Điều này đã giúp động cơ cảm ứng được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển tốc độ và servo với động lực học cao.
Thuật toán không cảm biến là bước quan trọng tiếp theo trong việc điều khiển các động cơ này. Điều khiển vectơ (hoặc Điều khiển hướng trường) yêu cầu phải biết vị trí rôto. Các cảm biến vị trí đắt tiền đã được sử dụng trước đó. Khả năng ước tính vị trí rôto dựa trên mô hình động cơ cho phép động cơ chạy mà không cần bất kỳ cảm biến nào.
Có rất ít thay đổi kể từ đó. Thiết kế động cơ và điều khiển của nó ít nhiều vẫn được giữ nguyên.

Động cơ đã được phát triển từ thế kỷ trước. Và điện tử đã giúp chúng được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Phần lớn điện năng được sử dụng trên thế giới này được tiêu thụ bởi động cơ!

Các loại động cơ khác nhau

Động cơ có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Chúng ta sẽ xem xét một số cách phân loại.

Đây là cách phân loại chung nhất. Đã có rất nhiều nhầm lẫn liên quan đến động cơ AC và DC và điều quan trọng là phải phân biệt giữa chúng. Chúng ta hãy tuân theo quy ước sau: động cơ yêu cầu nguồn điện xoay chiều 'tại các đầu cuối' được gọi là động cơ xoay chiều và động cơ có thể chạy trên nguồn điện một chiều 'tại các đầu cuối' được gọi là động cơ DC. 'Tại các thiết bị đầu cuối' rất quan trọng vì nó loại bỏ loại thiết bị điện tử nào được sử dụng để chạy động cơ. Ví dụ: Động cơ DC không chổi than thực tế không thể chạy trực tiếp trên nguồn DC và nó cần có mạch điện tử.

Động cơ có thể được phân loại dựa trên nguồn điện và dựa trên chuyển mạch - chổi than hoặc không chổi than, như hình dưới đây

Mặc dù tôi không đi sâu vào thiết kế động cơ của bất kỳ động cơ nào ở trên - Có hai chủ đề quan trọng mà tôi muốn giải quyết - Độ mặn và Tương tác của Thông lượng rôto với Thông lượng động cơ.

Độ mặn

Các khía cạnh của thông số máy như sản xuất mômen và điện cảm chịu ảnh hưởng của cấu trúc từ tính của máy (trong máy nam châm vĩnh cửu). Và điều cơ bản nhất của khía cạnh đó là độ mặn. Độ mặn là thước đo sự thay đổi trong điện trở của vị trí rôto. Miễn là điện trở này không đổi với mọi vị trí của rôto, máy được gọi là không động. Nếu điện trở thay đổi theo vị trí rôto, máy được gọi là máy điện thuận.

Tại sao độ mặn lại quan trọng để hiểu? Bởi vì một động cơ nổi bật bây giờ có thể có hai phương pháp để tạo ra mô-men xoắn. Chúng ta có thể tận dụng sự biến đổi từ trở trong động cơ để tạo ra mômen từ trở cùng với mômen từ (được tạo ra bởi nam châm). Như thể hiện trong hình dưới đây, chúng ta có thể đạt được mức mô-men xoắn cao hơn cho cùng một dòng điện với việc bổ sung mô-men xoắn miễn cưỡng. Điều này sẽ xảy ra với động cơ IPM (Nam châm vĩnh cửu bên trong). (Có những động cơ hoàn toàn hoạt động dựa trên hiệu ứng miễn cưỡng nhưng chúng ta sẽ không thảo luận về chúng ở đây.) Chủ đề tiếp theo sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về liên kết từ thông và độ mặn.

(Lưu ý: Angle Advance trong hình dưới đây đề cập đến độ lệch pha giữa dòng điện stato và thông lượng khe hở không khí.)

Tương tác thông lượng giữa Rotor và Stator

Từ thông trong động cơ truyền từ rôto qua khe hở không khí đến stato và quay trở lại qua khe hở không khí trở lại rôto để hoàn thành vòng trường. Trong đường dẫn đó, từ thông nhìn thấy các điện trở khác nhau (từ trở). Các lớp phủ (thép) có điện trở rất thấp vì μ _{r cao} (độ từ thẩm tương đối của thép nằm trong khoảng hàng nghìn) trong khi khe hở không khí có điện trở rất cao (μ _r xấp xỉ bằng 1).

MMF (lực từ động) phát triển trên thép là rất ít vì nó có điện từ không đáng kể so với khe hở không khí. (Một tương tự với mạch điện sẽ là: Một nguồn điện áp (nam châm) truyền dòng điện (thông lượng) qua một điện trở (điện trở khe hở không khí). Các dây dẫn (thép) được kết nối với điện trở có điện trở rất thấp và chúng ta có thể bỏ qua sự sụt giảm điện áp (MMF thả) qua nó). Do đó, cấu trúc của thép stato và rôto có ảnh hưởng không đáng kể và toàn bộ MMF được phát triển trên hệ thống miễn nhiễm khe hở không khí hiệu dụng (bất kỳ vật liệu màu nào trong đường dẫn thông lượng được coi là có độ từ thẩm tương đối bằng với khe hở không khí). Chiều dài khe hở không khí là không đáng kể so với đường kính rôto và có thể giả định một cách an toàn rằng từ thông từ rôto vuông góc với stato.Có các hiệu ứng viền và các hiệu ứng không tuyến tính khác do các khe và răng nhưng chúng thường bị bỏ qua trong việc tạo mô hình máy. (Bạn KHÔNG THỂ bỏ qua chúng khi thiết kế máy). Nhưng từ thông trong khe hở không khí không chỉ do từ thông của rôto (nam châm trong trường hợp máy nam châm vĩnh cửu). Dòng điện trong cuộn dây stato cũng góp phần tạo ra từ thông. Chính sự tương tác của 2 từ thông này sẽ quyết định mômen quay tác dụng lên động cơ. Và thuật ngữ mô tả nó được gọi là liên kết thông lượng khe hở không khí hiệu quả. Ý tưởng không phải là đi sâu vào toán học và suy ra các phương trình mà là lấy đi hai điểm:Nhưng từ thông trong khe hở không khí không chỉ do từ thông của rôto (nam châm trong trường hợp máy nam châm vĩnh cửu). Dòng điện trong cuộn dây stato cũng góp phần tạo ra từ thông. Chính sự tương tác của 2 từ thông này sẽ quyết định mômen quay tác dụng lên động cơ. Và thuật ngữ mô tả nó được gọi là liên kết thông lượng khe hở không khí hiệu quả. Ý tưởng không phải là đi sâu vào toán học và suy ra các phương trình mà là lấy đi hai điểm:Nhưng từ thông trong khe hở không khí không chỉ do từ thông của rôto (nam châm trong trường hợp máy nam châm vĩnh cửu). Dòng điện trong cuộn dây stato cũng góp phần tạo ra từ thông. Chính sự tương tác của 2 từ thông này sẽ quyết định mômen quay tác dụng lên động cơ. Và thuật ngữ mô tả nó được gọi là liên kết thông lượng khe hở không khí hiệu quả. Ý tưởng không phải là đi sâu vào toán học và suy ra các phương trình mà là lấy đi hai điểm:

Chúng tôi chỉ quan tâm đến thông lượng trong khe hở không khí khi toàn bộ MMF được phát triển trên nó.
Liên kết từ thông hiệu dụng trong khe hở không khí là do cả dòng điện stato và từ thông rôto (nam châm) và sự tương tác giữa chúng tạo ra mômen.

Hình trên cho thấy rôto và stato của các loại động cơ khác nhau. Sẽ rất thú vị khi tìm hiểu xem cái nào nổi bật và cái nào không?

Lưu ý: Trong mỗi một trong các động cơ hai trục được đánh dấu - D và Q. (Q-Axis là trục từ và D-trục là điện vuông góc với nó). Chúng ta sẽ quay lại trục D và Q trong các bài viết sau. Nó không quan trọng đối với câu hỏi trên.

Câu trả lời:

A, B, C - không nổi bật, D, E, F, G, H - nổi bật (các nam châm ảnh hưởng đến điện trở ở vị trí rôto khác nhau, xem hình dưới đây, trong J, K- cả rôto và stato đều không nổi bật.

Chúng tôi sẽ kết thúc bài viết này tại điểm này. Có thể thảo luận thêm về toán học và mô hình máy nhưng ở đây nó sẽ trở nên quá phức tạp. Chúng tôi đã đề cập hầu hết các chủ đề cần thiết để hiểu điều khiển động cơ. Loạt bài tiếp theo sẽ chuyển trực tiếp đến Điều khiển hướng trường (FOC), Điều chế véc tơ không gian (SVM), Suy yếu dòng chảy và tất cả các khía cạnh phần cứng và phần mềm thực tế mà bạn có thể gặp khó khăn khi bắt đầu thiết kế bộ điều khiển.