Hướng Dẫn Về Động Cơ DC và Cảm Ứng | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

PHẦN 1: ĐỘNG CƠ DC
a. Khởi động trực tiếp
● Nguyên lý: Khi cấp điện, rotor chưa quay nên tốc độ cơ học ω=0 → không có
sức điện động phản kháng (EMF) sinh ra trong phần ứng (E=KΦω=0). Do đó, theo
phương trình điện áp: V=E+IaRa, ta có Ia=V/Ra. Vì điện trở phần ứng Ra rất nhỏ,
dòng khởi động cực lớn. ○ Trong đó:
■ V: Điện áp nguồn cấp cho phần ứng (Volt).
■ E: Sức điện động phản kháng (Volt).
■ Ia: Dòng điện phần ứng (Ampere).
■ Ra: Điện trở phần ứng (Ohm).
■ K: Hằng số cấu trúc của động cơ.
■ Φ: Từ thông kích từ (Weber - Wb).
■ ω: Tốc độ góc của rotor (rad/s).
● → Diễn giải: Khi động cơ chưa quay, không có sức điện động phản kháng để
"cản" lại điện áp nguồn, nên toàn bộ điện áp đè lên điện trở phần ứng vốn rất nhỏ
→ dòng điện vọt lên cực lớn. Dòng lớn gây quá nhiệt, dễ cháy cuộn dây, và vì
moment khởi động đột ngột tăng cao → gây sốc cơ học cho trục và máy. ● Hậu quả:
○ Dễ gây cháy cuộn dây phần ứng do quá nhiệt.
○ Gây sốc cơ học do moment khởi động lớn đột ngột.
○ Làm sụt áp lưới, ảnh hưởng thiết bị khác.
● Ứng dụng: Chỉ dùng cho động cơ rất nhỏ, tải nhẹ.
b. Điều khiển tốc độ bằng điện áp phần ứng
● Nguyên lý: Dựa theo phương trình đặc tính cơ: . Khi giữ
từ thông KΦ không đổi, tốc độ ωm sẽ tỉ lệ thuận với Va. ○ Trong đó:
■ ωm: Tốc độ góc của động cơ (rad/s).
■ Va: Điện áp phần ứng (Volt).
■ KΦ: Hằng số từ thông của động cơ.
■ Ra: Điện trở phần ứng (Ohm). ■ T: Moment tải (Nm).
● → Diễn giải: Giữ từ thông không đổi (kích từ không đổi), nếu tăng điện áp
phần ứng thì tốc độ động cơ tăng theo. Đây là cách điều khiển tuyến tính và
ổn định dưới tốc độ cơ bản.
i. Dùng Chỉnh lưu có điều khiển (AC–DC)
○ Nguyên lý: Dùng Thyristor (SCR) chỉnh lưu từ AC sang DC. Thay đổi góc kích
α → thay đổi thời điểm SCR dẫn → điều chỉnh điện áp trung bình Va.
○ → Diễn giải: SCR giống như một công tắc điều khiển thời điểm bật điện. Bật
trễ (góc α lớn) thì thời gian dẫn ít → điện áp DC đầu ra nhỏ. Bật sớm (góc α
nhỏ) → điện áp lớn. Vậy thay đổi α chính là cách điều chỉnh tốc độ động cơ.
○ Ưu điểm: Cấu trúc đơn giản, có thể hãm tái sinh (nếu là loại điều khiển hoàn toàn).
○ Nhược điểm: Hệ số công suất thấp, gây sóng hài, đáp ứng chậm. ii. Dùng Chopper (DC–DC)
○ Nguyên lý: Sử dụng công tắc bán dẫn (MOSFET/IGBT) đóng ngắt liên tục
nguồn DC theo tỉ lệ (chu kỳ làm việc) δ → điều chỉnh Va=δ⋅Vnguồnguồn.
○ → Diễn giải: Chopper hoạt động như một công tắc bật/tắt cực nhanh. Nếu
thời gian bật nhiều hơn trong một chu kỳ → Va cao hơn → tốc độ động cơ
cao hơn. Vì tần số bật/tắt rất cao (PWM), nên điện áp trung bình rất dễ kiểm soát và mượt mà.
○ Ưu điểm: Hiệu suất cao, đáp ứng nhanh, dòng điện mượt.
○ Nhược điểm: Phải có nguồn DC đầu vào.
c. Điều khiển tốc độ bằng điện trở phần ứng
● Nguyên lý: Mắc biến trở Rphụ nối tiếp phần ứng. Khi tăng Rphụ → điện áp rơi
trên nó tăng → điện áp phần ứng giảm → tốc độ giảm.
● → Diễn giải: Tăng điện trở thì dòng vẫn qua như cũ, nhưng điện áp bị "hao" bớt
trên điện trở phụ. Phần còn lại cấp vào phần ứng thấp hơn → động cơ chạy chậm
lại. Nhưng vì điện trở phát nhiệt nhiều → rất tốn điện, hiệu suất cực thấp.
● Vấn đề: Tổn hao lớn: . ○ Trong đó:
■ Ploss: Công suất tổn hao trên điện trở phụ (Watt).
■ Ia: Dòng điện phần ứng (Ampere).
■ Rphụ: Giá trị điện trở phụ (Ohm).
● Ưu điểm: Rẻ, dễ làm.
● Nhược điểm: Nhiệt lớn, hiệu suất thấp, chỉ dùng khi bắt buộc (như để hạn chế dòng khởi động).
PHẦN 2: ĐỘNG CƠ CẢM ỨNG
a. Khởi động trực tiếp (DOL)
● Nguyên lý: Cấp thẳng điện áp lưới 3 pha vào động cơ.
● → Diễn giải: Không có khống chế hay hạn dòng gì cả. Tại thời điểm khởi động,
động cơ giống như một cuộn dây có trở kháng rất thấp → dòng điện đột ngột
tăng rất lớn → làm nóng dây, gây sụt áp, ảnh hưởng các thiết bị khác.
● Ứng dụng: Chỉ phù hợp động cơ nhỏ.
b. Khởi động Sao – Tam giác
● Nguyên lý: Ban đầu đấu sao → mỗi pha chỉ nhận 1/3 điện áp → dòng khởi động
giảm 3 lần, moment cũng giảm 3 lần (dựa trên quan hệ T
∝ V2). Khi gần đạt tốc độ
định mức → chuyển sang tam giác để nhận đủ điện áp.
● → Diễn giải: Đấu sao làm giảm áp trên cuộn dây để khởi động nhẹ nhàng hơn.
Sau khi đã có trớn đủ nhanh thì mới cấp điện "đầy đủ" bằng cách chuyển sang tam giác.
● Nhược điểm: Moment khởi động yếu, việc chuyển mạch có thể gây sốc dòng và cơ khí. c. Khởi động mềm
● Nguyên lý: Dùng SCR điều khiển tăng dần điện áp cấp vào động cơ một cách từ
từ → động cơ khởi động êm.
● → Diễn giải: Giống như "vặn nhỏ" van nước lúc đầu rồi mới tăng dần, thay vì mở
đột ngột. Tránh sốc cơ học hay dòng điện lớn.
● Ưu điểm: Êm ái, không sốc.
● Nhược điểm: Không điều khiển tốc độ được khi đang vận hành, chi phí cao hơn Sao-Tam giác.
d. Khởi động bằng điện trở rotor
● Nguyên lý: Chỉ dùng cho động cơ rotor dây quấn. Nối thêm điện trở vào mạch
rotor → moment khởi động tăng mạnh, trong khi dòng điện khởi động lại giảm.
● → Diễn giải: Thêm trở vào rotor làm tăng tổn hao nhưng đồng thời cũng làm tăng
moment. Điều này giúp động cơ có thể kéo được những tải cực nặng ngay từ lúc
bắt đầu mà không gây quá dòng.
● Nhược điểm: Cần bảo trì chổi than, động cơ có giá thành cao.
e. Điều khiển tốc độ bằng biến tần
● Nguyên lý: Dựa vào công thức n≈ns=120f/p, thay đổi tần số f → thay đổi tốc độ động cơ n. ○ Trong đó:
■ n: Tốc độ thực của động cơ (vòng/phút - rpm).
■ ns: Tốc độ từ trường quay (vòng/phút - rpm).
■ f: Tần số nguồn cấp (Hz).
■ p: Số cực của động cơ. i. Điều khiển V/F (V/Hz)
○ Nguyên lý: Giữ tỉ lệ V/f không đổi để giữ từ thông Φ không đổi.
○ → Diễn giải: Nếu giảm tần số (để giảm tốc độ) mà vẫn giữ điện áp cũ → từ
thông trong lõi thép sẽ tăng quá mức → gây bão hòa từ, làm nóng động cơ và
hoạt động không hiệu quả. Ngược lại, giảm tần số mà giảm điện áp một cách
tương ứng thì từ thông sẽ ổn định. Đó là lý do phải giữ V/f hằng số. ii. Điều khiển Vector
○ Nguyên lý: Biến dòng stator thành 2 thành phần độc lập: Id để điều
khiển từ thông, và Iq để điều khiển moment.
○ → Diễn giải: Coi như "biến" một động cơ AC phức tạp thành một động cơ DC
dễ điều khiển. Muốn tăng moment thì chỉ cần điều khiển thành phần Iq, còn
giữ Id ổn định để từ thông không đổi. Nhờ đó, việc điều khiển moment và tốc
độ trở nên chính xác và nhanh chóng.
PHẦN 3: ĐỘNG CƠ ĐẶC BIỆT a. Động cơ bước
● → Diễn giải: Là động cơ quay theo từng "bước" góc cố định. Mỗi khi nhận một
xung điện, rotor sẽ xoay chính xác một góc đã được thiết kế sẵn.
● Ưu điểm: Điều khiển vị trí chính xác mà không cần cảm biến phản hồi (vòng hở).
● Nhược điểm: Dễ bị mất bước nếu tải nặng hoặc tăng tốc quá nhanh.
b. Động cơ không chổi than (BLDC)
● → Diễn giải: Giống động cơ DC nhưng "lật ngược" cấu tạo: nam châm vĩnh cửu
nằm trên rotor (phần quay), cuộn dây nằm trên stator (phần tĩnh). Không dùng
chổi than, thay vào đó dùng bộ điều khiển điện tử (ESC) để cấp dòng cho các
cuộn stator đúng thời điểm → tạo từ trường quay kéo rotor.
● Ưu điểm: Tuổi thọ cao, êm, hiệu suất tốt, không cần bảo trì.
● Nhược điểm: Bắt buộc phải có bộ điều khiển ESC để hoạt động. c. Điều khiển Servo
● → Diễn giải: Là một hệ thống điều khiển "thông minh" có phản hồi. Nó liên tục so
sánh vị trí/tốc độ mong muốn với vị trí/tốc độ thực tế (đo bằng cảm biến như
Encoder) và tự động điều chỉnh để triệt tiêu mọi sai lệch.
● Cấu trúc: Động cơ + Cảm biến (Encoder) + Bộ điều khiển.
● Ứng dụng: Robot, máy CNC, thang máy – những nơi đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối.