Một động cơ điện bao gồm một rôto được đặt trong một từ trường quay. Dưới tác dụng của từ trường quay này, rôto thu được một mômen quay làm cho nó quay. Động cơ không đồng bộ hoạt động trên dải công suất rộng, từ vài watt đến hàng chục nghìn kilowatt, cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị cơ khí và thiết bị gia dụng khác nhau.
Động cơ điện (thường được gọi là “động cơ”) là thiết bị điện từ có chức năng biến đổi hoặc truyền năng lượng điện dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Chức năng chính của nó là tạo ra mô-men xoắn truyền động, đóng vai trò là nguồn năng lượng cho các thiết bị điện hoặc các thiết bị cơ khí khác nhau.
Chức năng chính của máy phát điện là chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.
Động cơ điện chủ yếu bao gồm một cuộn dây nam châm điện hoặc cuộn dây stato phân tán để tạo ra từ trường, phần ứng quay hoặc rôto và các phụ kiện khác. Dưới tác động của từ trường quay do cuộn dây stato tạo ra, dòng điện chạy qua khung nhôm lồng sóc của phần ứng. Dòng điện này tương tác với từ trường, làm cho phần ứng quay.
Stator (bộ phận đứng yên) Lõi Stator: Một bộ phận của mạch từ của động cơ, trên đó các cuộn dây stato được gắn vào; Cuộn dây stato: Mạch điện của động cơ, trong đó dòng điện xoay chiều ba pha-chạy qua để tạo ra từ trường quay; Khung: Cố định lõi stato và vỏ trước/sau để hỗ trợ rôto, đồng thời bảo vệ, tản nhiệt và các chức năng khác;
Rotor (bộ phận quay)
Lõi rôto: Đóng vai trò như một phần của mạch từ của động cơ và chứa các cuộn dây rôto trong các khe của nó;
Cuộn dây rôto: Cắt qua từ trường quay của stato để tạo ra suất điện động và dòng điện cảm ứng, tạo ra mômen điện từ dẫn động chuyển động quay của động cơ;
[Hoạt hình nguyên lý động cơ]
Động cơ nam châm vĩnh cửu ▼
Động cơ DC ▼
Động cơ từ trường lượng tử ▼
Động cơ cảm ứng một pha- ▼
Nguyên lý làm việc của động cơ bước ▼
Động cơ cân bằng ▼
Nguyên lý tạo ra dòng điện ▼
Stator ba pha ▼
Đoạn giao nhau dành cho xe máy-Đoạn ▼
Động cơ điện ▼
Động cơ DC▼
Sự khác biệt giữa sửa chữa động cơ biến tần và động cơ thông thường
Các phương pháp sửa chữa động cơ có tần số thay đổi về cơ bản giống như phương pháp sửa chữa động cơ thông thường. Tuy nhiên, do đặc tính độc đáo của nguồn điện có tần số thay đổi, yêu cầu cách điện đối với cuộn dây động cơ có tần số thay đổi nghiêm ngặt hơn so với động cơ thông thường. Cần thực hiện các biện pháp sau đây để cải thiện điều kiện cách nhiệt:
1. Chọn dây điện từ có khả năng chống vầng quang tuyệt vời để đáp ứng yêu cầu của động cơ về khả năng chịu được các xung tần số cao và phóng điện cục bộ.
Thông thường, người ta sử dụng dây tráng men tổng hợp polyesterimide/polyamitide hoặc dây điện từ kháng corona-.
2. Kỹ thuật thi công quấn dây và chèn khe.
Quản lý chặt chẽ là điều cần thiết trong quá trình quấn dây, chèn khe và liên kết cho động cơ có tần số thay đổi. Phải đặc biệt chú ý đến việc ngăn ngừa hư hỏng dây dẫn trong quá trình quấn dây và lắp khe. Việc chèn khe phải đảm bảo đặt đúng vị trí của lớp cách điện khe, lớp cách điện pha và lớp cách điện-với-lớp. Cách nhiệt pha nên sử dụng vật liệu dễ bị xuyên thủng bởi vecni cách nhiệt. Các đầu cuộn dây phải được gia cố bằng dây buộc và cố định để đảm bảo chúng tạo thành một khối thống nhất.
Tăng cường cách điện ở đáy khe động cơ, giữa các pha, giữa các lớp và ở điểm bắt đầu/kết thúc cuộn dây giúp tăng cường độ bền điện môi của động cơ.
3. Lớp cách nhiệt chính phải sử dụng lớp cách nhiệt không có khe hở.
Các khe hở không khí trong cấu trúc cách điện của động cơ có tần số thay đổi là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phóng điện vầng quang. Để đảm bảo không có khe hở không khí trong cấu trúc cách nhiệt tổng thể, theo tiêu chuẩn quốc gia GB/TZ1707-2008 "Thông số kỹ thuật cách điện cho động cơ không đồng bộ ba pha để điều khiển tốc độ tần số thay đổi", vecni tẩm được sử dụng không được thấp hơn vecni không chứa dung môi loại F-có hàm lượng chất dễ bay hơi dưới 10% và Quy trình VPI phải được sử dụng. Quá trình này cũng tăng cường độ bền cơ học tổng thể của cấu trúc cách nhiệt.
4. Đảm bảo sự kết hợp thích hợp giữa biến tần, cáp và động cơ, đồng thời hạn chế độ dài cáp giữa động cơ và nguồn điện.
Do trở kháng của đường dây điện không khớp, biên độ quá điện áp ở đầu động cơ tăng theo chiều dài cáp giữa biến tần và động cơ, dễ gây phóng điện cục bộ. Do đó, dựa trên các đặc tính cụ thể của nguồn điện có tần số thay đổi và yêu cầu thực tế, chiều dài của cáp kết nối phải được giảm thiểu càng nhiều càng tốt để giảm biên độ quá điện áp ở đầu động cơ và lượng phóng điện một phần, từ đó kéo dài tuổi thọ của động cơ. Cáp nguồn cho động cơ có tần số thay đổi thường sử dụng cáp chuyên dụng, còn được gọi là cáp có dây dẫn đối xứng có tần số thay đổi, thuộc dòng 3P+3N/E. Điều này có nghĩa là cấu hình 3+1 ban đầu chia dây trung tính đơn thành ba dây dẫn riêng biệt.
Động cơ bước
Hình 1.1 minh họa nguyên lý hoạt động của động cơ bước hai pha, có hai cuộn dây. Khi một cuộn dây được cấp điện, cực stato của nó sẽ tạo ra một từ trường thu hút rôto thẳng hàng với cực này. Nếu các cuộn dây được cấp điện theo trình tự dưới các xung điều khiển-quay vòng qua các trạng thái A`A→B`B→`AA→`BB-thì động cơ sẽ quay theo chiều kim đồng hồ. Khi được cấp điện theo trình tự A`A→`BB→`AA→B`B, động cơ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ. Mỗi xung điều khiển thay đổi hướng cấp điện, khiến động cơ di chuyển một bước (90 độ). Bốn xung hoàn thành một vòng quay đầy đủ. Tần số xung cao hơn giúp động cơ quay nhanh hơn.
Mô-men xoắn đầu ra của động cơ bước tỷ lệ thuận với thể tích hiệu dụng của động cơ, số vòng dây, từ thông và dòng điện. Do đó, thể tích hiệu dụng lớn hơn, số vòng cuộn dây nhiều hơn và khe hở không khí nhỏ hơn giữa stato và rôto dẫn đến mô-men xoắn lớn hơn và ngược lại.
Hình. 2 Sơ đồ cấu trúc cơ chế động cơ bước
Cấu tạo của động cơ bước bao gồm một rôto (lõi rôto, nam châm vĩnh cửu, trục, ổ bi), stato (cuộn dây, lõi stato) và các nắp đầu trước và sau. Động cơ bước hỗn hợp hai pha-điển hình nhất có stato với 8 răng lớn và 40 răng nhỏ, trong khi rôto có 50 răng nhỏ. Stator của động cơ ba pha có 9 răng lớn và 45 răng nhỏ, rôto cũng có 50 răng nhỏ.
Số pha của động cơ bước đề cập đến số lượng nhóm cuộn dây trong động cơ. Các loại thường được sử dụng bao gồm động cơ bước hai{1}}pha, ba{2}}pha, bốn-pha và năm{4}}pha. Số pha khác nhau dẫn đến góc bước khác nhau: thông thường, động cơ hai{6} pha có góc bước là 0,9 độ /1,8 độ , động cơ ba-pha có 0,75 độ /1,5 độ và động cơ năm{12} pha có góc bước là 0,36 độ /0,72 độ . Nếu không có trình điều khiển vi bước, người dùng chủ yếu chọn động cơ bước có số pha khác nhau để đáp ứng các thông số kỹ thuật về góc bước yêu cầu của họ. Khi sử dụng trình điều khiển vi bước, 'số pha' sẽ không còn phù hợp nữa; người dùng có thể chỉ cần điều chỉnh độ phân giải microstep trên trình điều khiển để thay đổi góc bước.
Cho dù đó là động cơ bước hai-pha bốn{1}}dây, bốn-pha năm-dây hay động cơ bước bốn-pha sáu-dây thì cấu trúc bên trong vẫn nhất quán. Sự khác biệt giữa cấu hình bốn{7}}dây, năm{8}}dây hoặc sáu{9}}dây phụ thuộc vào việc cặp A và ~A hay cặp B và B~ có chia sẻ kết nối đầu cuối (COM) chung hay không. Nếu cả hai nhóm A và B đều có thiết bị đầu cuối COM chuyên dụng thì động cơ có sáu{11}dây. Nếu các đầu cuối chung của A và B được kết nối với nhau thì đó là năm{13}}dây.
Do đó, để xác định cấu hình nối dây của động cơ bước, chỉ cần tách nhóm A và B và kiểm tra chúng bằng đồng hồ vạn năng.
Bốn{0}}dây:Vì không có dây (COM) chung trong cấu hình bốn{0}}dây nên nhóm A và B hoàn toàn cách ly và không{1}}dẫn điện với nhau. Vì vậy, khi thử nghiệm bằng đồng hồ vạn năng, một nhóm sẽ không có tính liên tục.
Năm{0}}dây:Trong cấu hình năm{0}}dây, các cực chung của nhóm A và B được kết nối với nhau. Khi kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng, nếu một dây có giá trị điện trở giống với các dây khác thì dây đó là cực chung. Để điều khiển động cơ bước năm{3}}dây, bạn có thể không kết nối thiết bị đầu cuối chung và động cơ vẫn hoạt động.
Sáu{0}}dây:Các thiết bị đầu cuối chung của nhóm A và B không được kết nối. Tương tự, dùng đồng hồ vạn năng để đo điện trở, nếu một dây có điện trở giống hệt hai dây còn lại thì dây đó là cực com, hai dây còn lại tạo thành một nhóm. Để điều khiển động cơ bước bốn{2}}pha sáu{3}}dây, động cơ này cũng có thể được điều khiển mà không cần kết nối hai cực chung.
Các khái niệm liên quan đến động cơ bước:
Số pha: Số cặp cuộn dây kích thích tạo ra các cặp cực từ N và S khác nhau. Thường được ký hiệu là m.
Số xung:Số lượng xung hoặc trạng thái dẫn điện cần thiết để hoàn thành một chu kỳ từ trường, ký hiệu là n. Ngoài ra, nó đề cập đến số lượng xung cần thiết để động cơ quay một góc nghiêng. Ví dụ: trong động cơ bốn{2}}pha:
Góc bước:Độ dịch chuyển góc của rôto động cơ tương ứng với một tín hiệu xung, ký hiệu là θ. θ=360 độ / (răng rôto J × số nhịp vận hành). Đối với động cơ hai{3}} hoặc bốn{4}}pha thông thường có 50 răng rôto: Trong vận hành bốn-pha, góc bước là θ=360 độ /(50*4)=1.8 độ (thường được gọi là một bước đầy đủ). Trong hoạt động tám{12}}pha, góc bước là θ=360 độ /(50*8)=0.9 độ (thường được gọi là nửa bước).
Giữ mô-men xoắn:Mômen khóa vốn có của rôto động cơ khi mất điện (gây ra bởi sự hài hòa của biên dạng răng từ trường và lỗi cơ học).
Mô-men xoắn tĩnh:Mômen khóa trên trục động cơ khi động cơ chịu tác dụng của lực điện tĩnh định mức nhưng không quay. Mô-men xoắn này đóng vai trò là tiêu chuẩn để đánh giá kích thước động cơ (kích thước hình học) và không phụ thuộc vào điện áp truyền động hoặc nguồn điện.
Ổ đĩa động cơ bước:Việc điều khiển động cơ bước về cơ bản bao gồm việc áp dụng các xung liên tục luân phiên vào nhóm A và B của động cơ, cho phép động cơ hoạt động.
Bước bị bỏ lỡ:Số bước thực tế được thực hiện trong quá trình vận hành động cơ không khớp với số bước lý thuyết.
Ví dụ:Sự khác biệt giữa hai động cơ bước-pha và năm{1}}pha
Động cơ bước chủ yếu được phân loại theo số pha, trong đó động cơ bước hai{0}}pha và năm{1}}pha là loại được áp dụng rộng rãi nhất trên thị trường hiện tại. Hầu hết các động cơ bước hai pha có thể được chia thành tối đa 400 bước bằng nhau trên mỗi vòng quay, trong khi động cơ năm pha có thể được chia thành 1000 bước bằng nhau. Do đó, động cơ bước năm{8}}pha thể hiện đặc tính hiệu suất vượt trội, thời gian tăng/giảm tốc ngắn hơn và quán tính động thấp hơn.
So sánh sự khác biệt giữa hai động cơ bước-pha và năm{1}}pha:
| Động cơ bước hai pha | Động cơ bước năm{0}}pha | |
| Nghị quyết | 1,8 độ /0,9 độ (200, 400 microstep) | 0,72 độ/0,36 độ (500, 1000 micro bước), cao hơn 2,5 lần so với động cơ bước hai pha- |
| Đặc tính rung | Phạm vi cộng hưởng tốc độ-thấp trong khoảng 100-200 PPS, độ rung đáng kể | Không có điểm cộng hưởng đáng kể, độ rung thấp |
| Đặc tính tốc độ và mô-men xoắn | Tốc độ thấp hơn | Tốc độ cao, mô-men xoắn cao |
1. Sự khác biệt về độ chính xác của điều khiển
Động cơ bước hỗn hợp hai pha thường có góc bước là 3,6 độ hoặc 1,8 độ, trong khi động cơ bước lai năm pha thường có góc bước là 0,72 độ hoặc 0,36 độ. Một số động cơ bước có hiệu suất cao-có góc bước thậm chí còn nhỏ hơn. Ví dụ: động cơ bước do Công ty Sitong sản xuất dành cho máy cắt dây-chậm có góc bước là 0,09 độ. Động cơ bước lai ba pha do Berger Lahr của Đức sản xuất có thể đặt góc bước thông qua công tắc DIP thành 1,8 độ , 0,9 độ , 0,72 độ , 0,36 độ , 0,18 độ , 0,09 độ , 0,072 độ hoặc 0,036 độ , mang lại khả năng tương thích với cả hai{21}}pha và năm{22}}giai đoạn góc bước động cơ bước lai.
Độ chính xác điều khiển của động cơ servo AC được đảm bảo bằng bộ mã hóa quay. Lấy động cơ servo AC kỹ thuật số hoàn toàn của Panasonic làm ví dụ, đối với động cơ được trang bị bộ mã hóa 2500 dòng tiêu chuẩn, xung tương đương là 360 độ/10000=0.036 độ do công nghệ chuyển đổi tần số cầu phương được triển khai bên trong trình điều khiển. Đối với động cơ được trang bị bộ mã hóa 17 bit, ổ đĩa nhận được 2¹⁷=131.072 xung mỗi vòng quay, dẫn đến độ phân giải xung là 360 độ / 131.072 xung=0.002746 độ mỗi xung.
2. Đặc điểm tần số thấp{1}}khác nhau
Động cơ bước dễ bị rung-tần số thấp ở tốc độ chậm. Tần số rung phụ thuộc vào điều kiện tải và hiệu suất của trình điều khiển, thường được coi là bằng một nửa tần số khởi động không tải của động cơ. Sự rung động tần số-thấp này vốn có trong nguyên lý hoạt động của động cơ bước, rất có hại cho hoạt động bình thường của máy. Khi động cơ bước hoạt động ở tốc độ thấp, nên sử dụng kỹ thuật giảm chấn để giảm thiểu rung động tần số thấp, chẳng hạn như thêm bộ giảm chấn vào động cơ hoặc sử dụng công nghệ vi bước trong trình điều khiển.
Động cơ servo AC hoạt động cực kỳ êm ái, không có hiện tượng rung ngay cả ở tốc độ thấp. Hệ thống servo AC kết hợp khả năng triệt tiêu cộng hưởng để bù đắp cho những thiếu sót về độ cứng cơ học. Ngoài ra, chức năng phân tích tần số bên trong (FFT) của hệ thống sẽ phát hiện các điểm cộng hưởng cơ học, tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều chỉnh hệ thống.
3. Đặc điểm tần số-mô-men xoắn khác nhau
Động cơ bước có biểu hiện mô-men xoắn đầu ra giảm khi tốc độ tăng dần, giảm mạnh ở tốc độ cao hơn. Do đó, tốc độ hoạt động tối đa của chúng thường bị giới hạn ở mức 300–600 vòng/phút. Động cơ servo AC cung cấp công suất mô-men xoắn không đổi, duy trì mô-men xoắn định mức trong phạm vi tốc độ định mức của chúng (thường là 2000 hoặc 3000 vòng/phút). Trên tốc độ định mức, chúng chuyển sang công suất đầu ra không đổi.
4. Khả năng quá tải khác nhau
Động cơ bước thường thiếu khả năng quá tải. Động cơ servo AC có khả năng quá tải mạnh. Lấy hệ thống servo AC của Panasonic làm ví dụ, nó có cả khả năng quá tải tốc độ và khả năng quá tải mô-men xoắn. Mô-men xoắn cực đại của nó đạt gấp ba lần mô-men xoắn định mức, cho phép nó vượt qua mô-men quán tính của tải quán tính trong quá trình khởi động. Động cơ bước thiếu khả năng quá tải này. Để khắc phục mômen quán tính khi khởi động, động cơ có mômen quán tính lớn hơn thường được chọn trong quá trình xác định đặc tính. Tuy nhiên, mô-men xoắn cao như vậy là không cần thiết trong quá trình hoạt động bình thường, dẫn đến lãng phí mô-men xoắn.
5. Hiệu suất hoạt động khác nhau
Động cơ bước sử dụng điều khiển vòng-mở. Tần số khởi động quá cao hoặc tải quá mức có thể gây ra hiện tượng mất bước hoặc ngừng hoạt động. Tốc độ quá cao trong quá trình dừng có thể dẫn đến vượt quá tốc độ. Vì vậy, để đảm bảo độ chính xác của việc điều khiển, việc tăng tốc và giảm tốc phải được quản lý hợp lý. Hệ thống truyền động servo AC sử dụng điều khiển vòng-đóng. Trình điều khiển trực tiếp lấy mẫu tín hiệu phản hồi từ bộ mã hóa động cơ, hình thành các vòng lặp vị trí và vận tốc bên trong. Thiết kế này thường tránh được các vấn đề mất bước hoặc vượt quá thường gặp ở động cơ bước, mang lại hiệu suất điều khiển đáng tin cậy hơn.
6. Hiệu suất phản hồi tốc độ khác nhau
Động cơ bước cần 200–400 mili giây để tăng tốc từ trạng thái nghỉ đến tốc độ vận hành (thường là vài trăm vòng/phút). Hệ thống servo AC thể hiện hiệu suất tăng tốc vượt trội. Ví dụ: động cơ servo AC Panasonic MSMA 400W tăng tốc từ trạng thái nghỉ lên tốc độ định mức 3000 vòng/phút chỉ trong vài mili giây, khiến động cơ này phù hợp với các ứng dụng yêu cầu điều khiển dừng-khởi động nhanh.
Tóm lại, hệ thống servo AC hoạt động tốt hơn động cơ bước ở nhiều khía cạnh hiệu suất. Tuy nhiên, động cơ bước vẫn được sử dụng phổ biến làm thiết bị truyền động trong các ứng dụng ít đòi hỏi khắt khe hơn. Vì vậy, trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển, các yếu tố như yêu cầu điều khiển và chi phí phải được đánh giá toàn diện để lựa chọn động cơ phù hợp.