Động cơ DC không chổi than

Định nghĩa

Một động cơ DC không chổi than được định nghĩa là một bộ điều khiển tần số biến thiên tự điều khiển sử dụng động cơ xoay chiều từ vĩnh cửu (PMAC) dạng sin. Loại bộ điều khiển này mang lại nhiều lợi ích đáng chú ý. Gần như không cần bảo trì, nó có tuổi thọ kéo dài, làm cho nó trở thành lựa chọn đáng tin cậy cho nhiều ứng dụng. Ngoài ra, nó có quán tính quay thấp, ma sát tối thiểu và hoạt động với đặc tính tần số thấp. Hơn nữa, nó tạo ra nhiễu tần số vô tuyến và tiếng ồn tối thiểu, đảm bảo hoạt động mượt mà và yên tĩnh. Tuy nhiên, nó cũng không tránh khỏi những hạn chế; những nhược điểm chính là chi phí tương đối cao và mô-men khởi động thấp.

Ứng dụng

Bộ điều khiển động cơ DC không chổi than được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và thiết bị. Trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, chúng được sử dụng trong máy phát nhạc, đầu ghi băng và ổ đĩa spindle trong ổ cứng máy tính. Chúng cũng được sử dụng làm bộ điều khiển công suất thấp trong các thiết bị ngoại vi máy tính và hệ thống điều khiển. Ngoài điện tử tiêu dùng, ứng dụng của chúng còn mở rộng đến ngành hàng không vũ trụ, nơi độ tin cậy và hoạt động ít tiếng ồn là rất quan trọng. Trong lĩnh vực y sinh, độ chính xác và hoạt động sạch sẽ của chúng khiến chúng phù hợp cho nhiều thiết bị y tế. Ngoài ra, chúng thường được sử dụng để điều khiển quạt làm mát, cung cấp thông gió hiệu quả và yên tĩnh cho nhiều hệ thống.

Cấu trúc Động cơ

Hình dưới đây minh họa mặt cắt ngang của động cơ PMAC ba pha, hai cực dạng thang, là thành phần chính của bộ điều khiển động cơ DC không chổi than. Động cơ có rotor từ vĩnh cửu với cung cực rộng, góp phần vào việc hoạt động hiệu quả. Stator được trang bị cuộn dây ba cực, mỗi cuộn cách nhau 120 độ. Cấu hình cuộn dây cụ thể này đảm bảo hoạt động điện cân bằng và sản xuất mô-men xoắn mượt mà. Mỗi cuộn dây pha bao gồm 60 độ ở mỗi bên, tối ưu hóa sự tương tác trường từ trong động cơ và cho phép kiểm soát chính xác tốc độ và hiệu suất.

Các điện áp cảm ứng trong ba pha của động cơ được mô tả trong hình dưới đây. Sự tạo ra sóng hình thang có thể được quy cho sự tương tác cụ thể giữa rotor và stator. Khi rotor quay theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, trong 120 độ quay đầu tiên từ vị trí tham chiếu, tất cả các dây dẫn phía trên của pha A tương tác với cực nam của trường từ, trong khi tất cả các dây dẫn phía dưới của pha A tương tác với cực bắc.

Sự kết hợp từ trường ổn định trong phạm vi góc này dẫn đến điện áp cảm ứng tương đối ổn định, đóng góp vào phần đỉnh phẳng của sóng hình thang. Khi rotor tiếp tục quay, sự thay đổi hướng trường từ gây ra sự chuyển đổi của điện áp cảm ứng, cuối cùng tạo ra hình dạng thang đặc trưng, cần thiết cho hoạt động và kiểm soát đúng đắn của bộ điều khiển động cơ DC không chổi than.

Trong quá trình quay 120 độ của rotor, điện áp cảm ứng trong pha A vẫn giữ tương đối ổn định. Một khi quay vượt quá 120 độ, một số dây dẫn phía trên của pha A bắt đầu liên kết với cực bắc, trong khi những dây dẫn khác tiếp tục tương tác với cực nam. Hiện tượng tương tự xảy ra với các dây dẫn phía dưới. Kết quả là, trong 60 độ quay tiếp theo, điện áp cảm ứng trong pha A đảo ngược tuyến tính. Mô hình thay đổi điện áp này cũng được phản ánh trong các pha B và C, tạo ra hành vi điện phối hợp cần thiết cho hoạt động của động cơ.

Hệ thống điều khiển động cơ DC không chổi than, như được minh họa trong hình dưới đây, bao gồm một bộ nghịch lưu nguồn điện áp kết hợp với động cơ PMAC dạng thang. Các cuộn dây stator của động cơ được cấu hình theo kết nối sao. Hình cũng mô tả sóng điện áp pha đặc trưng của động cơ PMAC dạng thang, phản ánh các động lực cảm ứng điện áp độc đáo được mô tả ở trên. Sóng điện áp này là một tính năng quan trọng giúp kiểm soát và vận hành hiệu quả của bộ điều khiển động cơ DC không chổi than, tạo điều kiện cho sản xuất mô-men xoắn mượt mà và điều chỉnh tốc độ chính xác.

Các cuộn dây stator của động cơ DC không chổi than được cung cấp bởi các xung dòng. Mỗi xung có thời gian kéo dài 120 độ điện và được đặt chính xác trong vùng mà điện áp cảm ứng vẫn ổn định và đạt giá trị tối đa. Quan trọng là, cực của các xung dòng này trùng với cực của điện áp cảm ứng, đảm bảo sự tương tác hài hòa giữa các đầu vào điện và trường từ do động cơ tạo ra.

Dòng từ trong khe hở động cơ được duy trì ở mức ổn định, và độ lớn của điện áp cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ quay của rotor. Mối quan hệ này là cơ bản cho hoạt động của động cơ, vì nó cho phép kiểm soát chính xác hiệu suất của động cơ dựa trên điện áp cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ, cho phép truyền tải điện năng hiệu quả và hoạt động mượt mà trong nhiều điều kiện vận hành.

Trong mỗi khoảng 60 độ hoạt động, dòng chảy vào một pha của cuộn dây stator động cơ và thoát ra từ pha khác. Mô hình dòng chảy thay đổi này là một đặc điểm quan trọng của hoạt động của động cơ DC không chổi than. Kết quả là, công suất cung cấp cho động cơ trong mỗi khoảng 60 độ này có thể được biểu diễn bằng công thức sau, tính đến sự tương tác giữa điện áp và dòng trong các pha cuộn dây.

Mô-men xoắn phát triển bởi động cơ

Sóng mô-men xoắn của bộ điều khiển động cơ DC không chổi than được minh họa trong hình dưới đây. Độ lớn của mô-men xoắn được tạo ra bởi động cơ tỷ lệ thuận với dòng chảy qua các đường liên kết điện DC. Mối quan hệ này là cơ bản để hiểu về hành vi động học và đặc tính hiệu suất của động cơ.

Phanh tái sinh trong hệ thống điều khiển này được thực hiện bằng cách đảo ngược dòng pha. Khi dòng pha được đảo ngược, hướng của nguồn dòng Id cũng thay đổi tương ứng. Sự đảo ngược này khởi động dòng điện từ động cơ, đi qua bộ nghịch lưu, và cuối cùng quay trở lại nguồn DC. Trong quá trình này, động cơ hoạt động như một máy phát, chuyển đổi năng lượng cơ từ tải thành năng lượng điện, sau đó được cấp lại vào nguồn điện. Điều này không chỉ giúp giảm tốc độ động cơ mà còn cho phép thu hồi và tái sử dụng năng lượng, tăng cường hiệu quả tổng thể của hệ thống.

Khi tốc độ quay của hệ thống điều khiển được đảo ngược, cực của các điện áp cảm ứng trong động cơ cũng đảo ngược. Sự thay đổi cực điện áp này kích hoạt hoạt động phanh tái sinh, cho phép hệ thống chuyển đổi năng lượng cơ của tải di chuyển thành năng lượng điện có thể được cấp lại vào nguồn điện.

Ngược lại, đảo ngược hướng dòng chảy qua cuộn dây động cơ khởi động hoạt động chạy, đẩy động cơ theo hướng mong muốn. Các sóng dòng tương ứng với các chế độ hoạt động riêng biệt—phanh tái sinh và chạy—được minh họa rõ ràng trong hình dưới đây, cung cấp một biểu đồ trực quan về hành vi điện của hệ thống điều khiển trong các điều kiện khác nhau.

Loại Bộ Điều Khiển Động Cơ DC Không Chổi Than

Bộ điều khiển động cơ DC không chổi than có thể được phân loại chủ yếu thành hai loại: bộ điều khiển động cơ DC không chổi than giá rẻ và bộ điều khiển động cơ DC không chổi than một pha. Mỗi loại có các đặc điểm và nguyên lý hoạt động riêng, được mô tả chi tiết dưới đây.

Bộ Điều Khiển Động Cơ DC Không Chổi Than Giá Rẻ

Bộ điều khiển động cơ DC không chổi than giá rẻ được thiết kế với sự đơn giản và giá cả phải chăng. Nó có cấu hình tối thiểu, bao gồm chỉ ba transistor và bộ chuyển đổi ba diode. Cấu hình này hạn chế bộ điều khiển chỉ cung cấp dòng hoặc điện áp dương cho động cơ ba pha.

Trong quá trình hoạt động, điện áp và dòng cảm ứng đóng vai trò quan trọng trong cả chức năng chạy và phanh của động cơ. Khi các xung dòng dương 120 độ được cung cấp cho động cơ, nó khởi động hoạt động chạy, khiến động cơ quay theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Ngược lại, khi các xung dòng này được dịch chuyển 60 độ lên tổng cộng 180 độ, động cơ chuyển sang trạng thái phanh. Sự thay đổi thời gian của các xung dòng này hiệu quả thay đổi sự tương tác giữa đầu vào điện và trường từ của động cơ, cho phép chuyển từ chuyển động quay sang cơ chế phanh.

Bộ Điều Khiển Động Cơ DC Không Chổi Than Giá Rẻ: Cơ Chế Điều Chỉnh Dòng

Trong bộ điều khiển động cơ DC không chổi than giá rẻ, dòng của pha A được điều chỉnh chính xác bởi thyristor Tr1 và diode D1. Khi Tr1 được kích hoạt (bật), điện áp nguồn Vd được kết nối qua cuộn dây A. Kết nối này khiến tốc độ thay đổi của dòng IA trở nên dương, nghĩa là dòng trong pha A bắt đầu tăng. Ngược lại, khi Tr1 được tắt, dòng iA đi vào trạng thái freewheeling qua diode D1. Trong quá trình freewheeling, tốc độ thay đổi của iA trở nên âm, và dòng dần suy giảm.

Trong khoảng thời gian 0 - 120º, Tr1 có thể được bật và tắt xen kẽ. Chiến lược bật-tắt này được sử dụng để làm cho dòng thực tế IA theo dõi chặt chẽ dòng tham chiếu hình chữ nhật iA, đảm bảo rằng sự khác biệt giữa chúng nằm trong dải hysteresis đã định trước. Điều khiển chính xác này giúp duy trì hoạt động ổn định của động cơ và truyền tải điện năng hiệu quả.

Bộ Điều Khiển Động Cơ DC Không Chổi Than Một Pha

Cấu hình của bộ điều khiển động cơ DC không chổi than một pha được minh họa trong hình dưới đây. Để phân tích, giả sử động cơ được cung cấp bởi một bộ chuyển đổi nửa cầu một pha, cung cấp sóng dòng hình chữ nhật cho động cơ, như được mô tả trong sơ đồ đi kèm. Sóng dòng cụ thể này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính hiệu suất và hành vi hoạt động của động cơ.

Mô-men xoắn được tạo ra bởi động cơ có sự dao động đáng kể, thường được gọi là rung động mô-men. Tuy nhiên, khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, quán tính của hệ thống động cơ-tải hoạt động như một bộ lọc tự nhiên. Quán tính này làm mịn các biến động mô-men, cho phép động cơ duy trì tốc độ quay tương đối đều dù có sự rung động mô-men.