BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHỊNG ISO 9001:20 08 TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG CHỔI THAN NÊU ĐỊA CHỈ ỨNG DỤNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP HẢI PHÒNG - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHỊNG ISO 9001:20 08 TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG CHỔI THAN NÊU ĐỊAC CHỈ ỨNG DỤNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên: Nguyễn Nam Sơn Người hướng dẫn: GS TSKH Thân Ngọc Hồn HẢI PHỊNG - 2017 Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc o0o BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Nguyễn Nam Sơn – MSV : 1312102020 Lớp : ĐC1701- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài : Tìm hiểu động chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than Nêu địa ứng dụng NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ) Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán Địa điểm thực tập tốt nghiệp : CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn : Thân Ngọc Hoàn Giáo sư – Tiến sĩ Khoa Học Trường Đại học dân lập Hải Phòng Tồn đề tài Người hướng dẫn thứ hai: Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn : Đề tài tốt nghiệp giao ngày tháng năm 2017 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng .năm 2017 Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh viên Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Cán hướng dẫn Đ.T.T.N Nguyễn Nam Sơn GS TSKH Thân Ngọc Hoàn Hải Phòng, ngày tháng năm 2017 HIỆU TRƯỞNG GS.TS.NGƯT TRẦN HỮU NGHỊ PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1.Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T.T.N, mặt lý luận thực tiễn, tính tốn giá trị sử dụng, chất lượng vẽ ) Cho điểm cán hướng dẫn ( Điểm ghi số chữ) Ngày……tháng…….năm 2017 Cán hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp mặt thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính tốn chất lượng thuyết minh vẽ, giá trị lý luận thực tiễn đề tài Cho điểm cán chấm phản biện ( Điểm ghi số chữ) Ngày……tháng…….năm 2017 Người chấm phản biện (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC) 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC 1.2 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC 1.2.1 Cấu tạo stator động BLDC 1.2.2 Cấu tạo rotor động BLDC 10 1.2.3 Cảm biến vị trí rotor 11 1.2.4 Bộ phận chuyển mạch điện tử (Electroniccommutator) 15 1.2.5 Sức phản điện động 15 CHƯƠNG 17 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, MƠ HÌNH TỐN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC 17 2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC 17 2.1.1 Nguyên lý hoạt động 17 2.1.2 Đặc tính đặc tính làm việc động BLDC 19 2.2 MÔ HÌNH TỐN, PHƯƠNG TRÌNH SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ MƠ MEN CỦA ĐỘNG CƠ BLDC 20 2.2.1 Mơ hình tốn động BLDC 30 2.2.2 Phương trình sức điện động mơ men 24 2.2.3 Phương trình động học động BLDC 29 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ĐỘNG CƠ BLDC 30 2.3.1 Phương pháp điều khiển động BLDC sử dụng cảm biến vị trí 30 2.3.2 Điều khiển động BLDC không sử dụng cảm biến (sensorless control) 43 2.4 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BLDC 44 2.4.1 Điều khiển tốc độ động BLDC vòng khép kín 44 2.4.2 Điều khiển tốc độ động BLDC phương pháp PWM 46 CHƯƠNG 47 CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BLDC VÀ ỨNG DỤNG CỦA BLDC 47 3.1 CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BLDC 47 3.1.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động cực tính) 47 3.1.2 Truyên động đảo chiều (truyền động hai cực tính) 48 3.2 ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC 49 3.2.1 Lĩnh vực hệ thống điều khiển chuyển động 49 3.2.2 Ứng dụng giao thông vận tải 50 3.2.3 Ứng dụng mơ hình, giải trí 51 3.2.4 Ứng dụng làm thiết bị dân dụng, thiết bị văn phòng 52 3.2.5 Ứng dụng hệ thống sưởi ấm thơng gió 54 3.2.6 Ứng dụng kỹ thuật công nghiệp 55 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 với tốc độ đặt, vị trí góc đưa vào biến áp Sai số tốc độ đặt tốc độ thực xử lý điều khiển PI, tín hiệu PI đưa vào biến * * * áp góc quay θr, tính hiệu biến áp dòng so sánh i , i , i a b c Ba tín hiệu đưa vào điều chỉnh dải trễ với ba dòng đo từ pha động a b Hình 2.31: Sơ đồ ngun lý vòng điều khiển dải trễ (a) đặc tính điều chỉnh dải trễ (b) * Hiệu ∆ = i a - ia phải điều khiển cho nằm phạm vi dải trễ BH cho trước Dòng điều khiển phải nằm dải Dạng ba dòng * * * đặt i a, i b, i c cho hình 2.33 Bộ điều khiển dải trễ nghiên cứu áp dụng rộng rãi Hình 2.32: Dạng ba dòng so sánh đưa vào điều chỉnh dải trễ 2.4.2 Điều khiển tốc độ động BLDC phương pháp PWM Trên sở điều khiển tốc độ động BLDC phương pháp điều chỉnh điện áp vào, ta áp dụng kỹ thuật PWM để điều khiển tốc dộ động Đây phương pháp sử dụng rộng rãi điều khiển điện áp Với phương pháp điện áp cung cấp cho khóa công suất không đổi, nhiên điện áp khỏi khóa đến động thay đổi theo thuật tốn điều khiển Phương pháp PWM dùng cho khóa trên, khóa hay đồng thời hai khóa lúc Hình 2.33: Giản đồ xung điều khiển PWM kênh động BLDC có điều chế PWM [3] Hình 2.34: Động BLDC có điều chế PWM CHƯƠNG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BLDC VÀ ỨNG DỤNG CỦA BLDC 3.1 CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BLDC 3.1.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động cực tính) Hình 3.1: Minh họa nguyên lý làm việc động BLDC truyền động cực tính Hình 3.2: Thứ tự chuyển mạch chiều quay từ trường stator Hình 3.1 biểu diễn động BLDC ba pha đơn giản, động sử dụng cảm biến quang làm phận xác định vị trí rotor Như minh họa 3.2, cực N (Bắc) rotor vị trí đối diện với cực lồi P2 stator, transistor quang PT1 chiếu sáng, có tín hiệu đưa đến cực gốc (base) transistor T1 làm cho T1 dẫn Ở trạng thái này, cực S (Nam) tạo thành cực lồi P1 dòng điện I1 qua cuộn W1 hút cực N rotor làm cho rotor chuyển động theo hướng mũi tên Khi cực N rotor di chuyển đến vị trí đối diện với cực lồi P1 stator, lúc chắn gắn trục động cho PT1 đồng thời PT2 chiếu sáng, T2 mở, dòng I2 qua T2 Khi dòng điện qua dây quấn W2 tạo cực S cực lồi P2 cực N rotor quay theo chiều mũi tên đến vị trí đối diện vớ cực lồi P2 Ở thời điểm này, chắn che PT2 đồng thời PT3 chiếu sáng Sẽ xuất dòng điện có chiều từ W2 sang W3 Vì vậy, cực lồi P2 bị khử kích thích cực lồi P3 lại kích hoạt tạo thành cực lồi Do đó, cực S rotor di chuyển từ P2 sang P3 mà không dừng lại Bằng cách lặp lặp lại chuyển mạch theo thứ tự cho hình 3.2, rotor nam châm vĩnh cửu động quay theo chiều xác định cách liên tục 3.1.2 Truyền động đảo chiều (truyền động hai cực tính) Ở động chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than, dây quấn phần ứng quấn stator phần đứng yên nên dễ dàng thay chuyển mạch khí (trong động điện chiều thơng thường dùng cấu cổ góp-chổi than) chuyển mạch điện từ dùng bóng transistor cơng suất điều khiển theo vị trí tương ứng rotor ta nói phần Về chất, chuyển mạch hai cực tính nghịch lưu độc lập có sáu van chuyển mạch bố trí hình 3.3 Trong sáu chuyển mạch van cơng suất, loại động cơng suất bé van chuyển mạch dùng MOSFET, loại động cơng suất lớn van chuyển mạch thường dùng van IGBT Để thực dẫn dòng nhứng khoảng mà van khơng dẫn diode mắc song song với van Để điều khiển van bán dẫn chuyển mạch điện từ, điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rotor để đảm bảo thay đổi chiều dòng điện dây quấn stator rotor quay giống cấu cổ góp-chổi than động chiều truyền thống Hình 3.3: Chuyển mạch hai cực tính động BLDC 3.2 ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC Như trình bày phần trên, động BLDC có ưu điểm trội so với động chiều truyền thống không sử dụng cấu cổ góp-chổi than nên loại động sử dụng phổ biến Động khơng có cấu cổ góp-chổi than hồn thành nhiều chức thực động chiều thông thường, chi phí phức tạp q trình điều khiển làm cho loại động thay hoàn toàn động chiều truyền thống lĩnh vực cần có chi phí thấp Động BLDC ứng dụng lĩnh vực: 3.2.1 Lĩnh vực hệ thống điều khiển chuyển động Điều khiển đóng ngắt có độ xác cao, mơi trường làm việc dễ cháy nổ, khơng bảo trì thường xuyên nhà máy hóa chất, phân bón Động BLDC thường sử dụng động bơm, quạt trục ứng dụng điều chỉnh thay đổi tốc độ Chúng tạo mô men xoắn cao với đáp ứng tốc độ tốt Ngồi ra, chúng dễ dàng điều khiển từ xa thiết kế động BLDC có đặc tính nhiệt tốt hiệu lượng cao Để có tốc độ phản hồi thay đổi, động BLDC hoạt động hệ thống điện gồm có phần tử điều khiển động cảm biến phản hồi xác định vị trí rotor Chúng sử dụng hệ điều khiển servo cho ổ đĩa servo máy công cụ Động servo sử dụng để điều khiển chuyển động cơ, định vị điều khiển chuyển động cách xác Trong khứ, người ta sử dụng động bước để làm động servo, cần vận hành với điều khiển vòng hở nên tạo mơ men xoắn gây tiếng ồn Động BLDC phù hợp để sử dụng động servo kể từ chuyển động xác chúng dựa hệ thống điều khiển vòng lặp khép kín, điều làm cho việc kiểm sốt chặt chẽ tính ổn định cao hoạt động Động BLDC sử dụng động servo có cơng suất 10kW Về mặt điều khiển truyền động, quy ứng dụng động BLDC ba dạng chính: - Tải mơ men số; - Tải mơ men thay đổi; - Điều khiển vị trí 3.2.2 Ứng dụng giao thông vận tải Động BLDC công suất cao từ vài chục W đến 100kW sử dụng hệ truyền kéo xe điện xe hybrid Động chủ yếu động đồng xoay chiều với rotor nam châm vĩnh cửu Xe Segway Vectrix Maxi-Scooter sử dụng động BLDC Một số xe đạp điện sử dụng động chiều nam châm vĩnh cửu khơng chổi than, đơi động BLDC tích hợp vào bánh xe với stator gắn cố định vào trục nam châm gắn vào quay bánh xe Hầu hết mơ hình RC chạy điện sử dụng động BLDC hiệu cao chúng 3.2.3 Ứng dụng mô hình, giải trí Động BLDC lựa chọn phổ biến để làm động cho loại ô tô đồ chơi điều khiển từ xa, động cho mơ hình máy báy gồm máy bay trực thăng máy bay không người lái Động BLDC thuận lợi cho việc cân lượng trọng lượng, phạm vi hoạt động mơ hình ứng với kích thước Động BLDC từ gram tới nhứng động lớn quy đổi tườn ứng với phạm vi công suất đầu Những nhà sản xuất mơ hình khuyến khích phát triển máy bay mơ hình điện nhẹ, đơn giản động đốt trước sử dụng cho mơ hình lớn nặng Tỷ lệ lượng/trọng lượng pin sử dụng động BLDC cho phép mô hình lên theo chiều dọc thay leo dần Tiếng ồn thấp khối lượng nhỏ so với động đốt lý phổ biến Hình 3.4: Động BLDC điều khiển xử lý điện cho máy bay điều khiển sóng vơ tuyến Rotor bên động nặng 5g tiêu thụ 11W Hạn chế pháp lý cho việc sử dụng động thúc đẩy q trình đốt cháy máy bay mơ hình số nước thường xuyên khả gây ô nhiễm tiếng ồn Phương án thiết kế giảm cho động mơ hình nhằm mục đích giảm tiếng ồn có sẵn thập kỷ gần tạo bước tiến lớn cho việc sử dụng động vào mơ hình Sự phát triển động BLDC tăng lên lĩnh vực xe đua kiểm sốt sóng radio (Radio controled car) Những động cung cấp lượng lớn lượng kết hợp với hộp số phù hợp xả lượng lớn Li-Po (lithium polymer) LiFePO4 pin mẫu xe đạt tốc độ 100 dặm Động chiều khơng chổi than có khả tạo mơ men xoắn có tốc độ quay nhanh so với động dùng nitro xăng Động nitro có tốc độ lớn khoảng 46.800 vòng/phút 2.95HP, động BLDC nhỏ có mơ men xoắn cực đại bắt đầu giảm dần đạt đến 50.000 vòng/ phút 5HP Động RC khơng chổi than lớn đạt 14max lực 28.000 vòng/phút để kích hoạt mơ hình 3.2.4 Ứng dụng làm thiết bị dân dụng, thiết bị văn phòng Động BLDC chiếm ưu với việc ứng dụng rộng rãi việc chế tạo phần tử sử dụng nhiều thiết bị dân dụng thiết bị văn phòng đặc biệt thiết bị ổ cứng máy tính đầu đĩa CD/DVD, máy in, scan Hình 3.5: Động BLDC sử dụng cho ổ đĩa cứng inch 52 Quạt làm mát nhỏ thiết bị điện tử vận hành động BLDC Hơn sử dụng động BLDC dụng cụ điện không dây giúp làm tăng hiệu suất hoạt động, thời gian sử dụng lâu dài trước phải sạc pin Động BLDC tốc độ thấp, công suất thấp sử dụng hộp quay số trực tiếp cho ghi âm Hình 3.6: Bốn cực stator động chổi than hai giai đoạn Đây phần quạt làm mát máy tính Rotor gỡ bỏ 53 Hình 3.7: Vai trò động BLDC máy in laser 3.2.5 Ứng dụng hệ thống sưởi ấm thơng gió Xu hướng ngành công nghiệp điện lạnh nhiệt sử dụng động chiều nam châm vĩnh cửu khơng chổi than thay loại động AC khác Lý quan trọng để chuyển sang sử dụng động BLDC giảm đáng kể điện cần thiết để vận hành chúng so với động AC điển hình Trong động tụ tách vĩnh cửu động có cực che chiếm ưu để làm động quạt, nay, nhiều quạt chạy động BLDC Một số quạt sử dụng động không chổi than để tăng hiệu tổng thể cho hệ thống Ngoài hiệu suất cao động không gây rắc rối vận hành, hệ thống HVAC (đặc biệt điều chế tốc độ thay đổi tải) sử dụng động không chổi than xử lý tích hợp cho phép lập trình, điều khiển luồng khơng khí truyền thơng nối tiếp Một số quạt trần quạt cầm tay có loại động Những nhà sản xuất cho biết loại động có hiệu suất cao êm sử dụng 54 3.2.6 Ứng dụng kỹ thuật công nghiệp Việc áp dụng động chiều không chổi than kỹ thuật công nghiệp chủ yếu tập trung vào lĩnh vực kỹ thuật sản xuất thiết kế tự động hóa cơng nghiệp Trong sản xuất, động BLDC chủ yếu sử dụng cho hệ thống kiểm soát chuyển động, định vị khởi động Động không chổi than lý tưởng cho ứng dụng sản xuất mật độ cơng suất cao, đặc tính mơ men xoắn tốc độ cao, phạm vi tốc độ rộng phải bảo trì Các ứng dụng phổ biến loại động kỹ thuật cơng nghiệp động tuyến tính, động servo, truyền động cho robot công nghiệp, động máy đùn ổ trục cho máy công cụ CNC Ngồi động BLDC sử dụng ứng dụng định vị ứng dụng công nghiệp Đối với robot lắp ráp, động bước servo không chổi than sử dụng để định vị phận lắp ráp công cụ cho trình sản xuất, chẳng hạn hàn sơn Động chiều khơng chổi than sử dụng để điều khiển truyền động tuyến tính Hình 3.8: Động servo không chổi than Các động trực tiếp tạo chuyển động tuyến tính gọi động tuyến tính Ưu điểm động tuyến tính chúng tạo 55 chuyển động tuyến tính mà khơng cần hệ thống truyền học Các hệ thống truyền dẫn có nhược điểm phản ứng giảm độ xác Động BLDC bao gồm stator slotted với từ truyền động di chuyển, có nam châm vĩnh cửu cuộn dây Để có chuyển động tuyến tính, điều khiển kích thích cuộn dây truyền động gây tương tác từ trường dẫn tới chuyển động tuyến tính Động tuyến ống dạng khác thiết kế động tuyến tính hoạt động theo tương tự 56 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian quy định để thực đề tài tốt nghiệp, với nỗ lực, cố gắng tìm hiểu thân bảo giúp đỡ tận tình giảng viên khoa bạn bè lớp, đến em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp Trong đề tài tốt nghiệp, em thực yêu cầu sau: - Tìm hiểu động BLDC, đưa cấu tạo yếu tố điện loại động này; - Tìm hiểu trình bày nguyên lý hoạt động, đường đặc tính động cơ; - Đưa mơ hình tốn, phương trình động BLDC - Tìm hiểu phương pháp điều khiển chuyển động điều khiển tốc độ động Tuy nhiên thời gian có hạn trình độ thân có nhiều hạn chế, thiếu sót nên em chưa hồn thành đề tài cách xuất sắc Em mong muốn nhận bảo, sửa chữa, đóng góp ý kiến thầy cơ, bạn bè lớp để em thực hiện, hoàn thành đề tài tốt củng cố thêm kiến thức cho thân Một lần em xin chân thành cảm ơn bảo, hướng dẫn tận tình GS.TSKH Thân Ngọc Hồn, thầy cô khoa Điện-Điện tử, bạn bè lớp giúp đỡ em nhiều Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực Nguyễn Nam Sơn 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn – TS Nguyễn Trọng Thắng (2016), Nguyên lý hoạt động máy điện, Nhà xuất Xây Dựng Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển động không đồng xoay chiều ba pha, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Bùi Quốc Khánh-Phạm Quốc Hải-Dương Văn Nghi (1999), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật 4853 IEMS, Chapter 12 Bruhsless DC motor Brushless DC electric motor, 58 ... “ Tìm hiểu động điện chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than, nêu địa ứng dụng ” hướng dẫn GS TSKH Thân Ngọc Hoàn Đồ án gồm có nội dung sau: Chương 1: Động chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than. .. 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC Hình 1.1: Động mọt chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than Động chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than BLDC từ lâu sử dụng rộng rãi hệ truyền động công suất nhỏ... 9001:20 08 TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG CHỔI THAN NÊU ĐỊAC CHỈ ỨNG DỤNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP Sinh viên: Nguyễn Nam Sơn Người